JP2005123525A

JP2005123525A - セルフクリーニング機能付きｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP2005123525A
Application number: JP2003359392A
Authority: JP
Inventors: Masahito Kanazawa; 正仁金沢
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】ＣＶＤ装置の稼働率を低下させることなく、確実に洗浄できるようにしたセルフクリーニング機能付きＣＶＤ装置を提供することを課題とする。
【解決手段】半導体製品作製用の原料ガスを噴射するシャワーヘッドと、このシャワーヘッドに対向配置されて半導体製品を搭載する金属製ステージとを真空反応チャンバ内に有するＣＶＤ装置であって、シャワーヘッドの原料ガス噴射部に配設される金属製の第１拡散板と、シャワーヘッド内部の第１拡散板よりも原料ガス流路における上流側に配設される金属製の第２拡散板と、金属製ステージ、第１拡散板及び第２拡散板に高周波電圧を印加するための高周波電源と、金属製ステージ、第１拡散板及び第２拡散板と、高周波電源との間に設けられ、金属製ステージ、第１拡散板及び第２拡散板への高周波電圧の印加／非印加を個別に切り替える切り替え手段とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は半導体製造工程で使われているＣＶＤ装置、特に、タンタル酸ビスマス／ストロンチウム等の強誘電体を基板上に気相成長させる反応チャンバを備えた半導体製造装置に付属する反応チャンバ内に堆積した反応生成物に対するセルフクリーニング機能付きＣＶＤ装置に関するものである。

図２は、一般的な従来のＣＶＤ装置の構成を示す図である。
このようなＣＶＤ装置は、その品質の高さから強誘電体を用いた不揮発性メモリの製造工程における薄膜作製に用いられている。
ＣＶＤ装置１００は、減圧に維持される反応チャンバ１０１を備えており、反応チャンバ１０１内で半導体製品Ｗを保持する保持部１０３と、これに対向するシャワーヘッド１０２を備える。

このシャワーヘッド１０２には、原料ガス源に接続された原料ガス供給経路１０５が接続され、シャワーヘッド１０２を介して、原料ガスを反応チャンバ１０１内に供給するように構成されている。さらに、反応チャンバ１０１には、真空ポンプ１０９を介して排気ガスを排気する排気経路１０８が接続されている。

薄膜作製工程において半導体製品Ｗの表面に薄膜を作製する際には、シャワーヘッド１０２の表面や基板保持台１０３周辺にも、薄膜材料が付着、堆積して薄膜と同一組成の反応生成物が付着してしまう。この反応生成物が薄膜作製時に混入すると、薄膜の品質の低下や装置の安定稼働阻害の原因となるため、所定の期間毎に反応チャンバ内に堆積した反応生成物を除去（洗浄）する必要がある。

従来、これは大気中で装置を分解し手作業で行われていたが、最近では半導体ウェハの周辺部の上面あるいは上方を覆うカバー部品を備えるＣＶＤ装置や（特許文献１参照）、また、エキシマレーザを照射して薄膜の表面を清浄する方法（特許文献２参照）や、ハロゲン化ガスのプラズマ化学反応を利用した遠隔プラズマ方式（特許文献３参照）があるが、反応性の低い強誘電体酸化物には大きな効果が得られていない。

そこで図３に示すようなプラズマのスパッタ効果を利用した洗浄方法がある。
反応チャンバ１０内の上部には成膜原料ガスを噴射するシャワーヘッド１２が配設されており、反応チャンバ１０内の下部には被成膜基板を保持して所定温度に加熱するステージ１４がシャワーヘッド１２と対向配置されている。

このステージ１４は、その内部に加熱手段としてのヒータ１６を備え、図示しない昇降機機構を介して上下動自在に構成されている。反応チャンバ１０の内部には、付着板２６を支持する複数の支柱２８がステージ１４を囲むように底板１８に立設されている。この支柱２８は、絶縁体から構成され、その上端がシャワーヘッド１２の下面とステージ１４の上面との間に位置するように設定され、その上端に設けられた凹部２８ａ内に、電極３２が上端部を露出させた状態で収容されている。

支柱２８の上端には、成膜処理中においては中空円盤状の電極カバー３６が載せられ、電極３２への反応生成物の堆積を防止している。付着板２６は導電体からなる円盤状部材で、反応チャンバ１０の所定箇所をスパッタ洗浄する際に、荷電したスパッタ粒子を付着するために用いられる。電極３２と、反応チャンバ１０の所定箇所、つまりシャワーヘッド１２、内壁１０ａ、ステージ１４等の間に直流又は高周波電圧を印加することができる電源３０が設けられている。

反応チャンバ１０に隣接する位置に、開閉自在なゲートバルブ２２を介して連絡される補助チャンバ２０には、外部と付着板２６の交換を行う別のゲートバルブが設けられている。これには、付着板２６を成膜室から出し入れする搬送アーム２４が配置され、また、付着板２６と電極カバー３６を置く台（図示略）が設けられている。補助チャンバ２０には、外部と付着板の交換を行う別のゲートバルブ（図示略）が設けられている。

図３の熱ＣＶＤ装置において、ステージ１４の上面に半導体製品を載置し、反応チャンバ１０内を真空雰囲気に保持した状態で、ステージ１４に内蔵したヒータ１６を介して半導体製品を加熱しつつ、例えば成膜原料ガス、キャリアガス、酸化ガスとの混合ガスをシャワーヘッド１２から半導体製品に向けて噴射すると、成膜原料が熱分解されて半導体製品の表面に薄膜が成長する。

成膜処理に伴い反応チャンバ１０の壁１０ａ、シャワーヘッド１２の下面及びステージ１４の上面などへ堆積した付着物を除去するには、以下のような手順を採る。成膜処理の後、反応チャンバ１０から処理済みの基板と電極カバー３６を取り出し、ステージ１４を適当な高さに調節する。反応チャンバ１０及び補助チャンバ２０内を真空雰囲気に保持した状態でゲートバルブ２２を開き、搬送アーム２４により付着板２６を反応チャンバ１０内に搬入して支柱２８に載せる。

そして、電源３０により、付着板２６と洗浄する部位、この例ではシャワーヘッド１２の間に直流又は高周波電圧を付与し、シャワーヘッド１２からアルゴンなどの不活性ガスを導入してプラズマを生成する。プラズマ中のイオンによる物理的スパッタリング現象により、シャワーヘッド１２の下面に付着した反応生成物３４が弾き飛ばされ、これは対向する付着板２６に付着する。所定時間の洗浄処理の後、ゲートバルブ２２を開いて付着板２６を反応チャンバ１０から搬出する。

ここで、シャワーヘッド１２を選択的に洗浄するために、シャワーヘッド１２と付着板２６との幅Ｗ_１をステージ１４と付着板２６との幅Ｗ_２より狭くなるようにして、ここに放電させるようにしている。ステージ１４を洗浄する場合は、ステージ１４を上昇させて、ステージ１４と付着板２６との幅Ｗ_２をシャワーヘッド１２と付着板２６との間Ｗ_１より狭くすることでステージ１４の表面をスパッタリングする（特許文献４参照。）。

さらに、ステージに高周波電源を接続し、高周波の印加／非印加を切り替え可能にし、洗浄個所を選択することで、効率よくクリーニングを行なう方法があった（特許文献５参照。）。

特開２００１−３０８０７７号公報特開２０００−２１６１２９号公報特開２００３−１６３２０８号公報特開平１１−１２１４４５号公報特開平１１−１２７４２号公報

従来のＭＯＣＶＤ装置は図２のように構成されているので、反応生成物による付着物の除去が必要であるが、分解洗浄による方法では、半導体装置の稼働率を低下させてしまうため工業的に問題があり、特許文献１にあるようなカバーリングによる汚染物質の付着防止は、一部分にしか効果が無く半導体製品表面の品質低下は免れない。

また、特許文献２のレーザ照射による後工程の半導体製品洗浄は、洗浄装置の大型化、コスト増大等の課題がある。
また、特許文献３にあるような遠隔プラズマ方式は、シリコンやその酸化物の除去には効果的であるが、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９（タンタル酸ビスマス／ストロンチウム）のような強誘電体酸化物に対しては、反応性が低いためにあまり効果的ではないという課題がある。

また、特許文献４に記載された付着板を用いたスパッタリングによるセルフクリーニング装置においても、付着板の搬送に時間がかかるため、汚染物質の付着した付着板の搬送時に搬送路が再汚染される可能性がある。また、粒径の大きい付着物の落下による基板の汚染が最も懸念されるシャワーヘッドの拡散板の上面に対するクリーニング効果が期待できない等の課題がある。

さらに、特許文献５のＣＶＤ装置では、試料（シリコンウエハ）を搬入するための空間が必要であり、プラズマを発生させるための電極間のギャップを広くとらざるを得ないので、強誘電体材料による汚染に有効なスパッタリングによるクリーニングには不向きであるという課題があった。また、この特許はスイッチ機構によりシャワーヘッド側に高周波電源を接続し、ガス拡散板の背後のクリーニングも可能にしたものだが、電極間距離はシャワーヘッドの構造で依存してしまうため、電極を対向させる構造にするのは難しく、かつ電極間ギャップの調節ができないため、強誘電体材料による汚染に有効なスパッタリングによるクリーニングは不向きであるという課題がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、二重にした拡散板と基板保持部を切り替え可能な電極とすることにより、強誘電体薄膜用のＣＶＤ装置における反応チャンバ内の付着物を、特に粒径の大きい付着物の落下により半導体製品を汚染する下部拡散板を効果的に洗浄することで、装置の稼働率を低下させることなく、確実に洗浄できるようにしたセルフクリーニング機能付きＣＶＤ装置を提供することを目的としている。

本発明のセルフクリーニング機能付きＣＶＤ装置は、半導体製品作製用の原料ガスを噴射するシャワーヘッドと、このシャワーヘッドに対向配置されて半導体製品を搭載する金属製ステージとを真空反応チャンバ内に有するＣＶＤ装置であって、前記シャワーヘッドの原料ガス噴射部に配設される金属製の第１拡散板と、前記シャワーヘッド内部の前記第１拡散板よりも原料ガス流路における上流側に配設される金属製の第２拡散板と、前記金属製ステージ、前記第１拡散板及び前記第２拡散板に高周波電圧を印加するための高周波電源と、前記金属製ステージ、前記第１拡散板及び前記第２拡散板と、高周波電源との間に設けられ、前記金属製ステージ、前記第１拡散板及び前記第２拡散板への高周波電圧の印加／非印加を個別に切り替える切り替え手段とを備える。

また、前記金属製ステージと前記シャワーヘッドとの間の距離を調整する第１調整手段を備える。

さらに、前記第１拡散板と前記第２拡散板との間の距離を調整する第２調整手段を備える。

本発明のセルフクリーニング機能付きＣＶＤ装置は、半導体製品作製用の原料ガスを噴射するシャワーヘッドと、このシャワーヘッドに対向配置されて半導体製品を搭載する金属製ステージとを真空反応チャンバ内に有するＣＶＤ装置であって、前記シャワーヘッドの原料ガス噴射部に配設される金属製の第１拡散板と、前記シャワーヘッド内部の前記第１拡散板よりも原料ガス流路における上流側に配設される金属製の第２拡散板と、前記金属製ステージ、前記第１拡散板及び前記第２拡散板に高周波電圧を印加するための高周波電源と、前記金属製ステージ、前記第１拡散板及び前記第２拡散板と、高周波電源との間に設けられ、前記金属製ステージ、前記第１拡散板及び前記第２拡散板への高周波電圧の印加／非印加を個別に切り替える切り替え手段とを備えるので、第１拡散板の上面及び下面、第２拡散板の下面、金属製ステージの上面を選択的に洗浄することができる。

また、前記金属製ステージと前記シャワーヘッドとの間の距離を調整する第１調整手段を備えるので、金属製ステージとシャワーヘッドとの間における洗浄に用いるプラズマを制御し易くなり、洗浄効率を向上させることができる。

さらに、前記第１拡散板と前記第２拡散板との間の距離を調整する第２調整手段を備えるので、前記第１拡散板と前記第２拡散板との間における洗浄に用いるプラズマを制御し易くなり、洗浄効率を向上させることができる。

この発明のセルフクリーニング機能付きＣＶＤ装置では、真空反応チャンバの内部に、基板を保持する基板保持部（ステージ）とこれに対向して配置した二重（二枚）の拡散板を持つシャワーヘッドを備える。基板保持部と二枚の拡散板は、それぞれが独立した電極（金属製）となっており、スイッチ機構により基板保持部（ステージ）への高周波の印加／非印加を切り替え可能に構成されている。また、シャワーヘッドと基板保持部（ステージ）の距離、及び、二枚の拡散板間の距離も調整可能に構成されている。

シャワーヘッドと基板保持部（ステージ）の電極間距離と、高周波電圧を印加する電極を切り替えることにより、シャワーヘッドの下部拡散板（第１拡散板）と上部拡散板（第２拡散板）との間、または、下部拡散板と基板保持部（ステージ）との間にプラズマを発生させることができる。

このような構成により、プラズマ中のイオンを用いたスパッタリング現象により反応チャンバ内の所定の部位に堆積した反応生成物を弾き飛ばし、原料供給部から供給される不活性ガスによりサイクルパージで拡散させた後、真空ポンプで排気することにより反応チャンバ内を洗浄することができる。

通常、高真空（低圧力）雰囲気の方が、イオンの移動度が高く、スパッタリングの効果を増大させることができるが、その一方でチャンバ内の圧力低下によりプラズマを発生させることが難くなる。
高真空下でもプラズマを発生させるためには、電極の面積を広くし、電極間距離を狭めることが有効である。従って、本発明のように電極間距離を調節できるようにすることで、スパッタリングによる洗浄効果を増大させることができる。
また、シャワーヘッドに含まれる二枚の拡散板は、互いに電気的に絶縁されるように配設されている。
なお、プラズマ生成用のガスはシャワーヘッドからチャンバ内に供給可能である。

図１は、本発明のセルフクリーニング機能付きＣＶＤ装置の構成を示す図である。
図１において、反応チャンバ２０１の上部に成膜原料ガスを噴射するシャワーヘッド２０２が、下部に被成膜基板を保持して所定の温度に加熱する基板保持台２０３がシャワーヘッド２０２と対向するように配置されている。このシャワーヘッドは上下二重に配設された下部拡散板２０６及び上部拡散板２０７を備えると共に、第１調整手段である昇降機構２１６ｂを介して上下動自在に構成されている。下部拡散板２０６及び上部拡散板２０７は、絶縁部２１４ａ及び２１４ｂで絶縁されており、互いに電気的に独立している。さらに、上部拡散板２０７は、第２調整手段である上部拡散板昇降機構２１６ａによりシャワーヘッド２０２内で上下動自在に配設されている。従って、下部拡散板２０６と上部拡散板２０７との間の距離も自在に調整することができる。

下部拡散板２０６と上部２０７及び基板保持台２０３は、スイッチ機構２１１ないし２１３を適宜切り替えることによって、それぞれ高周波電源２１０への接続／非接続の切り替えが可能に構成されている。なお、高周波電源２１０を非接続とした場合には、拡散板２０６と２０７及び基板保持台２０３は接地電位に保持される。

このような構成のＣＶＤ装置において、成膜後の反応チャンバ内の洗浄は以下の要領で行われる。
まず、反応チャンバ２０１から薄膜作製処理済みの半導体製品Ｗを取り出し、シャワーヘッド２０２からアルゴン等の不活性ガスを導入する。

ここで、上部拡散板２０７の下面を優先的に洗浄する場合は、スイッチ機構２１１を高周波電源２１０に接続し、スイッチ機構２１２及び２１３を接地する。この時、上部拡散板昇降機構２１６ａによりシャワーヘッド２０２の拡散板２０６と拡散板２０７を所定の位置まで近づける。
この状態で高周波電圧を印加すれば、上部拡散板２０７の下面と下部拡散板２０６の上面との間、及び、上部拡散板２０７の下面と基板保持台２０３との間でプラズマが発生する。プラズマ中のイオンによる物理的スパッタリング現象により、プラズマを挟んだ電極表面に付着した生成反応物が弾き飛ばされる。前者の方が電極間距離が短いので、上部拡散板２０７の下面を優先的に洗浄することができる。

また、下部拡散板２０６の上面を優先的に洗浄する場合は、スイッチ機構２１１を接地し、スイッチ機構２１２及び２１３を高周波電源２１０に接続する。この時、上部拡散板昇降機構２１６ａによりシャワーヘッドの下部拡散板と上部拡散板所定の位置まで近づける。
この状態で高周波電圧を印加すれば、上部拡散板２０７の下面と下部拡散板２０６の上面との間、及び、上部拡散板２０７の下面と基板保持台２０３との間でプラズマが発生する。プラズマ中のイオンによる物理的スパッタリング現象により、プラズマを挟んだ電極表面に付着した生成反応物が弾き飛ばされる。前者の方が電極間距離が短いので、下部拡散板２０６の上面を優先的に洗浄することができる。

また、下部拡散板２０６の下面を優先的に洗浄する場合は、スイッチ機構２１１及び２１２を高周波電源２１０に接続し、スイッチ機構２１３を接地する。この時、シャワーヘッド２０２を下方向に移動させ、基板保持台２０３との距離を所定の位置まで近づける。この時、シャワーヘッド２０２を下方向に移動させ、基板保持台２０３との距離を所定の位置まで近づける。
この状態で高周波電圧を印加すれば、上部拡散板２０７の下面と基板保持台２０３との間、及び、下部拡散板２０６の下面と基板保持台２０３との間でプラズマが発生する。プラズマ中のイオンによる物理的スパッタリング現象により、プラズマを挟んだ電極表面に付着した生成反応物が弾き飛ばされる。後者の方が電極間距離が短いので、下部拡散板２０６の下面を優先的に洗浄することができる。

また、基板保持台２０３の上面を優先的に洗浄する場合は、スイッチ機構２１１及び２１２を接地し、スイッチ機構２１３を高周波電源２１０に接続する。この時、シャワーヘッド２０２を下方向に移動させ、基板保持台２０３との距離を所定の位置まで近づける。
この状態で高周波電圧を印加すれば、上部拡散板２０７の下面と基板保持台２０３との間、及び、下部拡散板２０６の下面と基板保持台２０３との間でプラズマが発生する。プラズマ中のイオンによる物理的スパッタリング現象により、プラズマを挟んだ電極表面に付着した生成反応物が弾き飛ばされる。従って、基板保持台２０３の上面を優先的に洗浄することができる。

所定の時間クリーニングを行った後、高周波電源２１０を切り、シャワーヘッド２０２から供給される窒素またはアルゴンなどの不活性ガスでサイクルパージを行い、排気経路２０８に繋がる真空ポンプ２０９によって排気する。
なお、以上の説明においてはクリーニングガスとしてアルゴンを用いた場合について説明したが、汚染物質の種類によって、アルゴンガスとハロゲン化合物の混合ガス（ＣＦ_４、ＮＦ_３、ＣｌＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６、Ｓ_２Ｆ_６など）が有効となる。
また、スパッタリングの効果をさらに増強させるために、直流バイアス電源を高周波電源２１５の設置も有効である。

この時、スパッタリング現象による洗浄効果は、接地した電極に比べ、高周波電源２１０に接続した電極側がより大きくなるので、反応チャンバ内の汚染状況によってスイッチ機構２１１ないし２１３を適宜切り替えることで、効果的な洗浄を行うことができる。この結果、シャワーヘッド２０２の下部拡散板２０６は下面側のみならず、上面側についても付着物を除去することができる。

スパッタリング現象により弾き飛ばされた反応生成物は、原料ガス導入経路２０５を通って供給される窒素やアルゴンといった不活性ガスによるサイクルパージを行った後、排気経路２０８に接続された真空ポンプ２０９によって排気される。排気口はチャンバの底面に配置することにより、汚染粒子の舞い上がりを押さえることができる。なおサイクルパージについては公知の技術であるためここでは省略する。

以上のように、この発明では、洗浄時に、シャワーヘッドに付属する二重構造にした拡散板と基板保持台を電極とし、さらにスイッチ機構を設けることにより高周波電源への接続と接地を選択できる構成にしたので、反応チャンバ内の洗浄において、汚染の状況に合わせたスイッチの切り替えとシャワーヘッドの高さの調節、さらにシャワーヘッドの下部拡散板と上部拡散板又は下部拡散板と基板保持部（ステージ）の距離を調整できるようにしたことにより、少ない作業で効率的な洗浄を行うことができる。特に、半導体製品に対し最も汚染度の高い下部拡散板を両面から洗浄することができるので、品質の高い半導体製品の製造を行うことができる。

本発明のセルフクリーニング機能付きＣＶＤ装置の構成を示す図である。一般的な従来のＣＶＤ装置の構成を示す図である。特開平１１−１２１４４５公報記載のＣＶＤ装置を示す図である。

符号の説明

２０１反応チャンバ、２０２シャワーヘッド、２０３基板保持台、２０５原料ガス導入経路、２０６下部拡散板、２０７上部拡散板、２０８排気経路、２０９真空ポンプ、２１０高周波電源、２１１、２１２、２１３スイッチ機構、２１４ａ、２１４ｂ絶縁部、２１５直流バイアス電源、２１６ａ上部拡散板昇降機構、２１６ｂシャワーヘッド昇降機構。

Claims

半導体製品作製用の原料ガスを噴射するシャワーヘッドと、このシャワーヘッドに対向配置されて半導体製品を搭載する金属製ステージとを真空反応チャンバ内に有するＣＶＤ装置であって、
前記シャワーヘッドの原料ガス噴射部に配設される金属製の第１拡散板と、
前記シャワーヘッド内部の前記第１拡散板よりも原料ガス流路における上流側に配設される金属製の第２拡散板と、
前記金属製ステージ、前記第１拡散板及び前記第２拡散板に高周波電圧を印加するための高周波電源と、
前記金属製ステージ、前記第１拡散板及び前記第２拡散板と、高周波電源との間に設けられ、前記金属製ステージ、前記第１拡散板及び前記第２拡散板への高周波電圧の印加／非印加を個別に切り替える切り替え手段と
を備えるセルフクリーニング機能付きＣＶＤ装置。
前記金属製ステージと前記シャワーヘッドとの間の距離を調整する第１調整手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のセルフクリーニング機能付きＣＶＤ装置。
前記第１拡散板と前記第２拡散板との間の距離を調整する第２調整手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のセルフクリーニング機能付きＣＶＤ装置。