(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハの処理後に、遠隔プラズマ放電装置を使って、ＣＶＤ処理チャンバをクリーニングする方法であって、
前記ＣＶＤ処理チャンバ内のサセプタから処理済みの前記半導体ウエハを搬出する工程と、
前記遠隔プラズマ放電装置内にクリーニングガスを供給する工程と、
プラズマエネルギーを使って、前記遠隔プラズマ放電装置内で前記クリーニングガスを活性化する工程と、
前記サセプタに対向するシャワープレートの複数の孔を通じて前記ＣＶＤ処理チャンバ内に活性化された前記クリーニングガスを導入する工程であって、前記孔はシャワープレートを貫通して伸長し、各前記孔は均一の断面積を有し、すべての前記孔を含む前記シャワープレートの最小円形領域の直径は前記半導体ウエハの直径の０．９５倍から１．０５倍である、ところの工程と、
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２】
さらに、前記クリーニングガスを前記ＣＶＤ処理チャンバの表面の堆積膜と反応させ、前記ＣＶＤ処理チャンバの表面から前記堆積膜を除去する工程と、
前記ＣＶＤ処理チャンバの排気口を通じて前記堆積膜を排出する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記クリーニングガスは２．２μｍ／分以上の速度で前記ＣＶＤ処理チャンバの表面から堆積膜を除去する、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
プラズマＣＶＤ装置であって、
反応チャンバと、
基板を支持するサセプタであって、前記反応チャンバの内部に設置され、反応ガスからプラズマを生成するための第１電極として使用するよう構成されたサセプタと、
前記反応ガスから前記プラズマを生成するための第２電極として使用するように構成されたシャワープレートであって、前記サセプタと対向し、前記シャワープレートを貫通して伸長する複数の孔を有し、各前記孔は均一の断面積を有し、すべての前記孔を含む前記シャワープレートの最小円形領域の直径は、前記サセプタの制限構造内に収まる最大可能基板の直径の０．９５倍から１．０５倍である、ところのシャワープレートと、
前記シャワープレートと電気的に接続されたひとつまたはそれ以上の電源と、
前記反応チャンバ内に流入させる活性化されたクリーニングガスを生成する遠隔プラズマ放電装置と、
を備えたことを特徴とする装置。
【請求項５】
前記制限構造は前記基板を保持するためのポケットの環状壁を含む、
ことを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
さらに、前記シャワープレートの上部に結合されたセラミック製の導管を含み、前記導管の長さは３５ｍｍ以上である、
ことを特徴とする請求項４記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、プラズマ化学気相成長法（ＣＶＤ）に関し、特に、プラズマＣＶＤ装置用のシャワープレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、被処理体の表面に膜を形成し、除去しまたは表面を改質するためにプラズマ処理装置が使用されている。特に、シリコン等の半導体基板若しくはガラス基板上へのプラズマＣＶＤによる薄膜形成または薄膜エッチングは、メモリ、ＣＰＵなどの半導体素子、または液晶ディスプレイ(LCD)を製造するのに有用である。
【０００３】
従来、ＣＶＤ装置は、酸化シリコン（ＳｉＯ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）及び炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣ）などの絶縁膜、並びにタングステンシリサイド（ＷＳｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）及びアルミニウム合金などの導体膜をシリコンまたはガラス基板上に形成するために使用されてきた。これらの膜を形成するために、さまざまな成分を有する複数の反応ガスが反応チャンバ内に導入される。プラズマＣＶＤ装置において、これらの反応ガスは、高周波またはマイクロ波エネルギーによってプラズマ中で励起され、化学反応によって、サセプタに支持された基板上に所望の薄膜が形成される。
【０００４】
シリコンウエハなどの半導体基板上に膜を堆積する反応の前に、反応ガスが貯蔵容器から、導管及びシャワープレートを通じて反応チャンバ内に導入される。該シャワープレートは、上面及び下面を有し、上面から下面へシャワープレートを貫通する複数の孔を含む。反応ガス及びクリーニングガスを含む異なるガスは基板に分配される前にシャワープレートの孔を通じて流れる。シャワープレートの目的は堆積膜の均一性をより向上させるために基板表面にわたって反応ガスを均一に分配することである。膜厚の均一性を改善するために、典型的にシャワープレートの孔は一端側で絞られ、孔の開口部はガス流出口側よりもガス流入口側の方が大きい。平行平板型ＣＶＤ装置において、ウエハ処理中に反応チャンバ内部でガスをプラズマ励起するために、シャワープレートは電極としても機能する。
【０００５】
ウエハ処理中に反応チャンバ内のプラズマ化学反応により生成される反応生成物は、反応チャンバの内壁及びサセプタ表面に蓄積し不所望な堆積物を生じさせる。薄膜形成処理が繰り返されると、この堆積物がプラズマＣＶＤ装置の内側面に徐々に蓄積する。続いて、堆積物は内壁及びサセプタ表面から剥離し、反応チャンバ内部を浮遊する。その後、該堆積物は異物として基板上に付着し、不純物汚染を引き起こし、それが処理基板に欠陥を生じさせる。
【０００６】
反応チャンバの内壁に付着したこの不所望な堆積物を除去するために、プラズマクリーニング法が使用されてきた（例えば、米国特許第６７３６１４７号）。このプラズマクリーニング法のひとつにおいて、ＮＦ３などのクリーニングガスが、反応チャンバの外部にあって反応チャンバから離隔された遠隔放電チャンバの内部で高周波電力によりプラズマ状態に励起される。ＮＦ３は解離し、フッ素活性種が形成され、それが不所望な堆積物と反応する。その後、フッ素活性種は反応チャンバ内部に導入され、反応チャンバの内壁面に付着した堆積物を分解しかつ除去する。ひとつの例において、反応チャンバの内壁面に付着した異物を除去するために流量制御したＮＦ３クリーニングガスを使用すると、約１．５μｍ／分の有効なクリーニング速度が得られる。
【特許文献１】米国特許第６７３６１４７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、半導体基板は大口径化している。基板サイズの増大により、反応チャンバの容積も増大し、反応チャンバの内壁面に付着する不所望な堆積物の量も増加する。除去すべき堆積物の量の増加に伴い、クリーニング時間も増加する傾向にある。このクリーニング時間の増加のために、単位時間あたりの基板処理数（すなわち、スループット）は低下する。したがって、スループットを向上させるためには反応チャンバのクリーニング速度を向上させる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ひとつの態様において、本発明は、ウエハを処理した後に遠隔プラズマ放電装置を使ってＣＶＤ処理チャンバをクリーニングする方法を与える。処理済みウエハはチャンバ内のサセプタから取り除かれる。クリーニングガスは該遠隔プラズマ放電装置に供給される。遠隔プラズマ放電装置内でクリーニングガスを活性化するためにプラズマエネルギーが使用される。活性化されたクリーニングガスは、サセプタに対向するシャワープレートの複数の孔を通じて反応チャンバ内に導入される。該孔はシャワープレートを貫通して伸長し、孔の各々は均一な断面積を有する。すべての孔を含むシャワープレートの最小円形領域の直径は、ウエハの直径の０．９５倍から１．０５倍である。
【０００９】
他の態様において、本発明はチャンバ内で基板を処理するための方法を与える。基板はチャンバ内部のサセプタ上に載置される。反応ガスがサセプタに対向するシャワープレートの複数の孔を通じて反応チャンバ内に導入される。該孔はシャワープレートを貫通し、各孔は均一の断面積を有する。すべての孔を含むシャワープレートの最小円形領域の直径は、基板の直径の０．９５倍から１．０５倍である。
【００１０】
本発明の他の態様において、プラズマＣＶＤ装置はプラズマＣＶＤ反応チャンバを有する。基板を支持するためのサセプタは反応チャンバ内部に配置され、プラズマ生成用の第１電極として使用するよう構成されている。プラズマ生成用の第２電極として使用されるシャワープレートはサセプタと対向し、シャワープレートを貫通する複数の孔を有し、該孔の各々は均一の断面積を有する。すべての孔を含むシャワープレートの最小円形領域の直径は、サセプタの制限構造内に収まる最大可能基板の直径の０．９５倍から１．０５倍である。
【００１１】
他の態様において、プラズマＣＶＤ装置内で使用するためのシャワープレートは電源に接続されるよう構成された電気的に導体の伸張部を有するプレートを含み、該プレートは電極として機能することができる。該プレートはプレートを通じて伸長する複数の孔を有し、各孔は均一な断面積を有する。
【００１２】
本発明はいくつかの態様に関して説明されたが、本発明の思想及び態様から離れることなく形式及び細部への変更が可能であることは当業者の知るところである。したがって、本発明は以上に説明した形式及び細部に限定されない。
【００１３】
本発明の思想から離れることなく、説明された方法及び装置に対してさまざまな省略、付加及び修正が可能であることは当業者の知るところである。
【００１４】
ここに開示するさまざまな装置、システム及び方法のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、図面を参照して以下で詳細に説明するが、当該図面はこれらの装置、システム及び方法を限定することを意図したものではない。添付する図面はここに開示する実施形態の概念を例示するものであり、同一縮尺ではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本願発明は、クリーニングガスの遠隔活性化用の遠隔プラズマ生成器を有するプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置に関する。特に、本願発明は、スループットを増加させるべくリアクタクリーニング速度を向上させるための均一な断面積を有する改良された孔を含む新規なシャワープレートに関する。
【００１６】
平行平板型プラズマＣＶＤ装置において、シャワープレートは反応ガス中にインサイチュプラズマを生成するための上部電極として機能する。孔の寸法を含め、シャワープレートの孔を改良することにより、改善されたリアクタクリーニング速度を達成することができる。また、改良した孔とともに“孔切削領域”のサイズを注意深く選択することにより、ウエハ処理中に堆積される膜の均一性が向上し、ある場合にはクリーニング速度が増加する。ここで使用する孔切削領域の用語は、シャワープレートのすべての孔を含む最小円形領域を指している。以下の詳細な説明とともにこれらの改良は、平行平板型ＣＶＤ装置用の遠隔プラズマクリーニングを使用する実験を実行して発見された。特に、これらの実験は、日本エー・エス・エム株式会社製のＥａｇｌｅ  １２（商標）プラズマＣＶＤ装置を使って３００ｍｍ基板に対して実施された。Ｅａｇｌｅ  １２プラズマＣＶＤ装置は、ここに参考文献として組み込む２００７年４月６日に出願された米国特許公開第２００７−０２４８７６７号に開示されている。
【００１７】
上記したように、従来の装置は約１．５μｍ／分のクリーニング速度を達成した。しかし、ウエハサイズの増大により反応チャンバの容積が増大すると、高いスループットを保証するためにクリーニング速度を改善しなければならない。好適に円形の均一な断面積を有するようにドリルビットを使って孔を形成して、シャワープレートの孔を改良することにより、本願発明の実施形態はクリーニング速度を増加させる。
【００１８】
本発明の実施形態は、高いチャンバクリーニング速度で不所望な堆積物を除去するクリーニング機能を実行するプラズマＣＶＤ装置を与え、反応チャンバのサイズまたは処理ウエハのサイズと無関係に、このクリーニングを実行するための方法を与える。高いチャンバクリーニング速度を有することで、リアクタの停止時間は短縮し、装置のスループットは向上する。
【００１９】
本発明の実施形態は、均一な断面積を有する穴を含む改良されたシャワープレートを与え、該シャワープレートは好適には平行平板型ＣＶＤ装置内で下部電極として機能するサセプタとともに上部電極として機能する。いくつかの実施形態において、電源に達する電気的導体の伸張部がシャワープレートに接続される。電力は、例えば、シャワープレートが電極として作用する高周波（ＲＦ）電源または高い高周波電源及び低い高周波電源の組み合わせにより供給される。
【００２０】
本発明の実施形態は、高いチャンバクリーニング速度でセルフクリーニングを促進し、ウエハ処理ステージ中に堆積した膜厚均一性を有意に犠牲にすることのない、改良されたシャワープレートを有するプラズマＣＶＤ装置を与える。本発明のひとつの目的は、いくつかの実施形態において、従来のプラズマＣＶＤ装置に対するすべての改良が工業製造統一規格に一致するのを保証することである。
【００２１】
上記目的を達成するために、ひとつの実施形態において、本発明に従うプラズマＣＶＤ装置は、(i)反応チャンバと、(ii)基板を載置するためのサセプタであって、反応チャンバ内に配置されかつインサイチュプラズマを生成するための２つの電極の一方を構成するところのサセプタと、(iii)反応チャンバ内部に反応ガスまたはクリーニングガスを噴射するためのシャワープレートであって、サセプタと平行に配置されかつプラズマを生成するためのもう一方の電極を構成するところのシャワープレートと、(iv)シャワープレートに電気的に接続された電源（例えば、高周波電源）とを備える。シャワープレートの特徴、すなわち、シャワープレートの下面から上面に貫通する孔を改良することにより、より高いクリーニング速度を達成可能である。ひとつの実施形態において、シャワープレートは直線でかつ断面が均一な貫通孔を有し、孔が絞られた従来のシャワープレートより高いクリーニング速度を与える。例えば、ひとつの特定の従来のシャワープレートは直径が１．０ｍｍの孔を有し、該孔はシャワープレートの下面で直径が０．５ｍｍに絞られている（図２（Ａ）参照）。シャワープレートに使用される孔を当該孔が直線でかつ均一な断面積を有するように改良することにより、反応チャンバは２．２μｍ／分以上のクリーニング速度が得られるようになる。例えば、ひとつの実施形態において、シャワープレートは均一な直径の孔（例えば、１．０ｍｍ）を有する。
【００２２】
上記において、シャワープレートの上部で形成されるいわゆる寄生プラズマ（異常プラズマ）がシャワープレートを通じて導入され膜堆積処理と干渉するのを防止するために、プラズマＣＶＤ装置はさらに反応チャンバの上部壁に設置されたセラミック製導管（これを通じて反応ガス及びクリーニングガスの両方が流れる）を含み、該導管は３５ｍｍ以上の長さを有する。この導管については以下で詳細に説明する。
【００２３】
ひとつの実施形態において、均一な断面積を有するように孔を改良したことによる膜厚均一性の低下を防止するために、シャワープレートの孔切削領域もまた改良される。上記実験を実施した結果、（従来は、表面積で約１８．１％だけ大きく、直径で約８．７％だけ大きかった）孔切削領域のサイズを減少させることにより、膜厚均一性が向上することを見いだした。ひとつの実施形態において、反応チャンバは、孔切削領域の直径が処理基板の直径の０．９５倍から１．０５倍であるシャワープレートを含む。これは、円形の孔切削領域の面積が処理基板の面積の０．９０倍から１．１０倍であることに対応する。基板の表面領域に対する孔切削領域の表面領域の比率が基板に堆積する膜の膜厚均一性に関連しているばかりでなく、クリーニング速度にも影響を及ぼしている。孔切削領域を減少させることでクリーニング速度が大きく改善され得ることを見いだした。また、良好な膜厚均一性を保証するために、他の実施形態において、シャワープレートの改良された孔はシャワープレートの表面に螺旋模様で配置される。
【００２４】
図１は、本発明のひとつの実施形態に従う、遠隔プラズマクリーニング装置を有する平行平板型プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）装置１８０を示したものである。他のプラズマＣＶＤ装置を使用してもよいことは言うまでもない。プラズマＣＶＤ装置１８０は膜を形成し若しくは除去し、または基板１の表面を改質するために使用される。プラズマＣＶＤ装置１８０は、ガラスまたはシリコン基板などの基板１を載置するためのサセプタ１０５を収容する反応チャンバ１０２を含む。反応チャンバ１０２のひとつの側壁には排気口１２５が設けられている。平行平板ＣＶＤ装置において、サセプタ１０５は下部電極として機能する。サセプタ１０５はセラミック若しくはアルミニウム合金、または基板を支持するために典型的に使用される他の材料から成る。サセプタ１０５がインサイチュプラズマ生成用の電極として使用される場合には、使用される材料は電極の導電機能と整合していなければならない。この場合、サセプタ１０５は電気的に接地されているのが好ましい。いくつかの実施形態において、サセプタ１０５及び基板１を加熱するのに使用される抵抗加熱装置がサセプタ１０５内に埋め込まれている。他の実施形態において、サセプタ１０５及び基板１を加熱するのに輻射熱ランプが使用される。異なる種類及び加熱装置の組み合わせを使用してもよく、特定の加熱モードが本発明に特有のものではない。
【００２５】
サセプタ１０５に対向して反対側には、下面から上面へシャワープレートを貫通する複数の孔を有するシャワープレート１２０が設けられている。シャワープレート１２０はアルミニウム若しくはアルミニウム合金、または他の適当な金属から成る。ひとつの実施形態において、シャワープレート１２０はサセプタ１０５の上面と概して平行である平坦な下面を有する。他の実施形態において、シャワープレート１２０の下面は湾曲しているか、または平坦と湾曲面の組み合わせであってもよい。好適には、シャワープレート１２０は下部電極（サセプタ１０５）と協働して反応ガス内でインサイチュプラズマを生成するための上部電極として機能する。好適には、シャワープレート１２０は反応ガスが基板上に実質的に均一の膜を堆積するように構成されている。それは、孔がサセプタ１０５に支持された基板１の水平面方向にわたって配置されていることを意味する。シャワープレート１２０の上部には、シャワープレート１２０の温度変化を防止するよう空冷ファン１４２が配置されてもよい。
【００２６】
プラズマを生成するために、電源１２２及び１２４（例えば、高周波電源）がマッチング回路１２８を介してシャワープレート１２０に電気的に接続される。マッチング回路１２８は同軸ＲＦケーブル１７５により電源１２２及び１２４に接続される。ひとつの実施形態において、電源１２２及び１２４は、数百kHzから数十MHzの周波数を印加することによりプラズマを生成する。電源１２２及び１２４の両方は同じ周波数を有してもよいが、好適実施形態において、ウエハ処理の際の膜質の制御性を改善するために、２つの電源は一方が高く他方が低い異なる周波数を有する。高周波電源のほかに、マイクロ波電源など他の電源が使用されてもよいことは当業者の知るところである。
【００２７】
ウエハ処理用に使用される反応ガスは別々の容器に保存され、ガス分配管１３３のような導管を通じてシャワープレート１２０に供給される。図１に示す実施形態において、シャワープレート１２０に達する前に、反応ガスは、シャワープレート１２０を通じてガスを均一に分配するのに使用されるバッファプレート１３８を通過する。バッファプレート１３８を通過した後、反応ガスはシャワープレート１２０の孔を通じて、反応チャンバ１０２の中央領域１４８に流入する。反応チャンバ１０２の内部で、反応ガスは電源１２２及び１２４によりプラズマ状態に励起され、基板の表面に膜を堆積させる化学反応が生じる。プラズマ反応チャンバにより生成された生成物は、反応チャンバ１０２の内壁並びにサセプタ１０５及びシャワープレート１２０の表面上にも蓄積する。不所望な堆積物が処理済みの基板を汚染しないことを保証するために、反応チャンバ内部を定期的にクリーニングしなければならない。
【００２８】
ウエハ処理用にさまざまな反応ガスが使用可能であるが、上記した実験では、シリコン基板上にＴＥＯＳ酸化膜を形成するために、テトラエチルオルソシリケートまたはテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、及び酸素（Ｏ２）を使用した。ＴＥＯＳは基板上に酸化膜を形成するために酸素とともに通常使用される。この処理の典型的な条件は、ＴＥＯＳ流量が２５０ｓｃｃｍ、Ｏ２流量が２．３ｓｌｍ、上部電極１２０と下部電極１０５との間隔が１０ｍｍ、反応チャンバの圧力が４００Ｐａ、高い高周波電力が１３．５６MHzで６００Ｗ、低い高周波電力が４３０kHzで４００Ｗ、サセプタ１０５の温度が３６０℃、シャワープレート１２０の温度が１５０℃、反応チャンバ１０２の内壁温度が１４０℃である。
【００２９】
図１を再び参照して、反応チャンバ１０２の上部開口部から伸長する導管１３１を通じて、反応ガス及び／またはクリーニングガスが反応チャンバ内に流入する。導管１３１はアルミニウムなどの金属から成り、隔離弁１３５及び第２導管１３６に結合される。第２導管はシャワープレート１２０上に配置され、セラミック材料を含む絶縁材料から構成されている。遠隔プラズマ放電装置１４０はクリーニングガス分配管１５１などの第２導管に結合される。クリーニングガスはクリーニングガスソース１７０から供給され、クリーニングガス分配管１５１を通じて遠隔プラズマ放電装置１４０内に導入される。さまざまなクリーニングガスが使用可能であるが、ひとつの実施形態において、クリーニングガスは不活性キャリアガスまたは酸素と混合されたフッ素系ガスを含む。例えば、Ｃ２Ｆ６＋Ｏ２、ＮＦ３＋ＡｒまたはＦ２＋Ａｒなどがある。遠隔プラズマ放電装置１４０内で、プラズマエネルギーはクリーニングガスを活性化し、クリーニング活性種が生成され、それが導管１３１及びシャワープレート１２０を通じて反応チャンバ１０２内に流入する。クリーニングガス活性種は、反応チャンバ１０２の内壁及びシャワープレート１２０の表面に付着した不所望な堆積物と化学反応する。これにより不所望な堆積物は気化され、その後真空ポンプによって反応チャンバ１２５の排気口からコンダクタンス調整弁１５５を介して外部へ排出される。
【００３０】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は、反応チャンバに入る前に反応ガス及びクリーニングガスが通過するシャワープレートの孔を示している。好適には、これらの孔はシャワープレートに機械的に形成され、孔切削領域と呼ぶシャワープレートの領域を占める。図２（Ａ）は、従来技術で使用される従来の孔を示し、図２（Ｂ）は本発明のひとつの実施形態に従う改良された孔を示す。
【００３１】
図２（Ａ）は２つの異なるサイズの流入口２１２及び流出口２１４を有する従来の孔２０８を示している。図２（Ａ）に示すように、流入口の直径は流出口の直径より大きく、その比率は２：１である。流入口の直径は１．０ｍｍであり、流出口の直径は０．５ｍｍである。流入口と流出口の直径が異なる従来の孔は、堆積膜の膜厚均一性を増加させることがわかった。例えば、ＴＥＯＳとＯ２を反応ガスとして使用し基板上にＴＥＯＳ酸化膜を堆積する実験において、従来の孔２０８を使った膜厚均一性は約±１．８％であり、製造基準に必要な典型的な均一性である±３．０％より良好であった。しかし、従来の孔を使用した場合、クリーニング処理中のリアクタクリーニング速度は約１．４０μｍ／分に過ぎなかった。
【００３２】
図２（Ｂ）は、本発明のひとつの実施形態に従うシャワープレートの孔２２０を示す。図示したシャワープレートの孔２２０は長さ方向に沿って均一な断面形状を有し、円形の孔の場合には均一な直径を有する。好適に、改良されたシャワープレートの孔２２０は直線でかつ垂直方向に、シャワープレートの下面から上面に向かって伸長する。孔２２０は互いに２ｍｍから５ｍｍの距離だけ離隔されている。シャワープレートの孔２２０の直径は、０．５ｍｍと１．０ｍｍの間の均一なサイズを有するが、他のサイズでもよい。好適実施形態において、図２（Ｂ）に示すように、改良された孔２２０は１．０ｍｍの均一な直径を有する。
【００３３】
シャワープレートの孔を均一な直径とすることにより、従来のシャワープレートに比べクリーニング速度が改善する。例えば、図２（Ａ）の従来の孔２０８を使ったクリーニング速度は約１．４０μｍ／分であったが、図２（Ｂ）の改良された孔を使ったクリーニング速度は同じ条件下において約２．３６μｍ／分であった。いくつかの実施形態において、クリーニング速度は２．２０μｍ／分を超えた。直径が均一な孔２２０を使用する他の利点は、２つの異なる直径を有する従来の孔２０８よりも簡単に機械成形できるため製造コストが廉価であるということである。
【００３４】
改良された均一な直径の孔により高いクリーニング速度が達成される訳は、アレニウス反応速度と化学反応中の温度との関係によって説明することができる。アレニウス反応速度と温度との間の関係は、次の式により表される。
ｋ＝Ａｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）
ここで、ｋは速度定数であり、Ａは周波数ファクタであり、Ｅは活性化エネルギーであり、Ｒは気体定数であり、Ｔは絶対温度である。本願において、ｋはクリーニング速度を表し、Ａはフッ素ラジカルＦ*の分圧に主に依存する。上記式は、Ａ及びＴが増加するとクリーニング速度ｋが大きくなることを示している。Ａを増加させるひとつの方法は活性フッ素ラジカルの数を増加させることである。それにより、クリーニング速度は増加する。
【００３５】
フッ素ラジカルＦ*の分圧の増加は、シャワープレートを通じるガスコンダクタンスを増加させることにより達成可能であることがわかった。図２（Ａ）に示すような直径が減少した孔を有する従来のシャワープレートにおいて、コンダクタンスは減少する。これは、絞られた口径のために孔の内壁とフッ素活性種との間に衝突が生じるためであると考えられる。衝突により、活性フッ素ラジカルは活性種Ｆ*から不活性種Ｆ２へ不活性化する。不活性フッ素分子は不所望の膜堆積物と効果的に反応しないので、クリーニング速度は低下する。したがって、孔を通じて均一な断面を有するようにシャワープレートを改良することで、活性フッ素ラジカルと孔の内壁との間の衝突回数が減少する。その結果、従来のシャワープレートより不活性化されるフッ素ラジカルの数が少なくなり、反応チャンバ内のクリーニング速度が向上する。
【００３６】
孔２２０の改良は従来の孔２０８に比べクリーニング速度の改善をもたらすが、堆積膜の膜厚均一性は工業製造基準を下回る。これは、従来、絞られた孔２０８が使用されてきたことによる。従来、３００ｍｍの半導体ウエハ処理用に、直径が約３２６ｍｍの孔切削領域を有するシャワープレートが使用されてきた。反応ガスとしてＴＥＯＳ及びＯ２を使用しかつ図２（Ｂ）の改良された孔２２０を使用した実験において、堆積されたＴＥＯＳ酸化膜の膜厚均一性は±３．４１％であった。これは従来の孔２０８が使用された場合より悪い結果である。この膜厚均一性は、工業製造基準で要求される典型的な均一性（±３．０％）より悪い。結果として、孔２２０を通じて均一な断面を有することによるクリーニング速度向上の利点は、低下した膜均一性が工業製造基準と一致するよう改善されなければ意味がない。これに関して、シャワープレートの孔切削領域のサイズを変更することで、クリーニング速度向上の利点を犠牲にすることなく膜厚均一性を改善することができることを見いだした。いくつかの実施形態において、孔切削領域の直径サイズを従来のサイズ（約３２６ｍｍ）以下に縮小しても同等の高いクリーニング速度が得られた。
【００３７】
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ本発明のひとつの実施形態に従うシャワープレート１２０の平面図及び側面図を示したものである。ここで孔切削領域の大きさは注意深く選択されている。孔切削領域はさまざまな形状を有することができるが、商業的ウエハが円形であることから、すべての孔２２０を包含する円形領域３０２が好ましい。好適実施形態において、孔切削領域３０２はすべての孔２２０を包含する最小円形領域である。基板の表面領域に対する孔切削領域の大きさを変更して行った実験結果は、工業製造基準に一致する堆積膜均一性を維持することが可能であることを示している。孔切削領域の大きさを変更することなく、均一な断面積を有する孔の大きさを変更するだけでクリーニング速度の向上は得られるが、膜厚均一性は低下する。よって、基板の大きさに対する孔切削領域の大きさの比率がある範囲に含まれるように選択するのが好ましい。図示した実施形態において、シャワープレート１２０は完全に平坦ではなく、リセス３６１を形成する内側壁３５５を有する垂直に立ち上がったショルダ３５６を有する。ひとつの実施形態において、リセスを形成する内側壁３５５の直径は３５０ｍｍである。
【００３８】
孔切削領域３０２はシャワープレートのサイズの割合でのみ表され、その境界は３１０で示される。孔切削領域３０２により占有されないシャワープレートの領域にはガスが流通するための孔が存在しない。ショルダ３５６を含む、孔切削領域３０２を包囲する領域は３１２で示されている。
【００３９】
図３（Ｃ）は図３（Ａ）の改良されたシャワープレート１２０の孔２２０の配列を表す、本発明のひとつの実施形態を示したものである。螺旋模様３２３は他のパターンより良い膜厚均一性を保証することから、非螺旋模様に比べ改良をもたらす。しかし、さまざまな模様、他の螺旋または非螺旋模様を有するシャワープレートを使用することも可能であり、工業製造基準に一致する膜厚均一性を達成することができることは言うまでもない。
【００４０】
図４は、３００ｍｍのウエハに対して、リアクタクリーニング速度及び堆積膜厚均一性と、直径が１．０ｍｍで均一な孔２２０を有する円形孔切削領域３０２の直径との関係を示すグラフである。参考として、図４は、従来のサイズの孔切削領域３０２に対して従来の孔２０８を使用して得られたクリーニング速度及び膜厚均一性も示している。従来の孔切削領域３０２は約３２６ｍｍの直径を有する。
【００４１】
図４は、約３２６ｍｍの直径を有する孔切削領域に従来の孔を含むシャワープレートを使用する問題点と、孔切削領域を改良することなく孔の直径を均一な１．０ｍｍに切替えた場合の問題点を指摘している。この場合、クリーニング速度は約１．４μｍ／分から２．４μｍ／分に向上したが、膜厚均一性は約±２％から±３％以上に不所望に増加し、これは工業製造基準により許容されないものである。図４に示すように、孔切削領域を縮小することにより、膜厚均一性の上記問題が解決されることを見いだした。また、孔切削領域を縮小しかつ孔を通じて直線でかつ直径が均一な孔を使用することにより、クリーニング速度も向上することを見いだした。
【００４２】
図４のグラフは、高いクリーニング速度及び好ましくは±３．０％以下、より好ましくは±２．０％の膜厚均一性を達成するような最適な直径範囲を決定するために、さまざまな直径（２７０ｍｍ、２９０ｍｍ、３００ｍｍ、及び３１０ｍｍ）を有する孔切削領域が試験されたことを示している。図４に示すように、直径が２８５ｍｍと３１５ｍｍの間の孔切削領域は従来のシャワープレートに比べ優れたリアクタクリーニング速度、及び±３．０％以下の良好な膜厚均一性をもたらすことがわかる。特に、直径が３００ｍｍの孔切削領域は非常に高いクリーニング速度（約２．９μｍ／分）及び非常に良好な堆積膜均一性（±２．０％以下）をもたらし、それらは従来のシャワープレートよりも優れている。
【００４３】
３００ｍｍ半導体ウエハ処理用に構成されるサセプタに対して好適な孔切削領域の直径の範囲は２８５ｍｍと３１５ｍｍの間であることがわかったが、他のサイズの基板に対して他の直径の孔切削領域が使用されてもよい。特に、基板の直径の約０．９５倍と１．０５倍の間の直径を有する孔切削領域は非常に良好なクリーニング速度及び膜厚均一性をもたらすことを見いだした。好適実施形態において、孔切削領域の直径の比率は基板の直径の０．９７７倍と１．０２７倍の間である。したがって、３００ｍｍの基板を処理する際、孔切削領域３０２の直径は、好ましくは２８５ｍｍと３１５ｍｍの間、より好ましくは２９３．１ｍｍと３０８．１ｍｍとの間である。４５０ｍｍの基板を処理する際、孔切削領域３０２の直径は、好ましくは４２７．５ｍｍと４７２．５ｍｍの間、より好ましくは４３９．７ｍｍと４６２．２ｍｍとの間である。２００ｍｍの基板を処理する際、孔切削領域３０２の直径は、好ましくは１９０ｍｍと２１０ｍｍの間、より好ましくは１９５．４ｍｍと２０５．４ｍｍとの間である。
【００４４】
図５は、サセプタ４３０と、該サセプタ上に載置されたウエハ４２２と、本発明のひとつの実施形態に従う改良されたシャワープレート１２０とを含む反応チャンバ４００の内部を概略的に示したものである。ひとつの実施形態において、図５に示すように、サセプタ４３０は、ウエハが装着されるポケットまたはリセス４３８を画成する環状ショルダまたは壁４３１などの基板制限構造を含む。リセス４３８の直径はサセプタ４３０が支持するよう設計されたウエハ４２２のサイズに応じて変化する。他の実施形態において、サセプタ４３０はリセスを有せず平坦であってもよい。図５には、孔切削領域１０３の表面領域４１１及びウエハ４２２の表面領域４２３も示されている。ひとつの実施形態において、孔切削領域１０３の円形の表面領域４１１の直径は、ポケット４３８内に装着される最大可能基板の表面領域４２３の直径の０．９５倍から１．０５倍である。好適実施形態において、孔切削領域１０３の円形表面領域４１１の直径は、ポケット４３８内に装着される最大可能基板の表面領域４２３の直径の０．９７７倍と１．０２７倍の間である。
【００４５】
図６（Ａ）及び（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すような孔２０８を有する従来のシャワープレート及び直径が３２６ｍｍの孔切削領域により達成されるクリーニング速度及び堆積膜厚均一性と、図２（Ｂ）に示すような断面が均一な孔２２０を有する本発明のひとつの実施形態に従う改良されたシャワープレート及び直径が３００ｍｍの孔切削領域により達成されるクリーニング速度及び堆積膜厚均一性を示した、実験条件及び実験結果をそれぞれ示す表である。実験は３００ｍｍの半導体基板を用いて実施された。この実験において、ＴＥＯＳ及びＯ２を用いて１μｍのシリコン酸化膜を堆積した後に、ＮＦ３及びＡｒを用いて反応チャンバがクリーニングされた。反応チャンバのクリーニングは以下の条件で実行された。ＮＦ３の流量が２．２ｓｌｍ、Ａｒ流量が５ｓｌｍ、上部電極と下部電極との間隔が１４ｍｍ、反応チャンバの圧力が１０００Ｐａ、遠隔プラズマ放電装置の電力が２．７kW、サセプタの温度が３６０℃、シャワープレートの温度が１５０℃、反応チャンバの内壁温度が１４０℃であった。これらの条件のもとで、反応チャンバのクリーニングは約４３秒間実施された。
【００４６】
図６（Ａ）は、反応ガスとしてＴＥＯＳ及びＯ２を反応チャンバ内に導入し、ＴＥＯＳ酸化膜を形成する実験条件を示した表である。この反応は従来のシャワープレートを使って実行され（第１行目）、また改良されたシャワープレートを使って３つの異なる条件で実行された（第２行から４行目）。可変変数として、反応ガス流量、チャンバ圧力、高い高周波電力（ＨＲＦ）、低い高周波電力（ＬＲＦ）、上部電極と下部電極との間隔（Ｇａｐ）、サセプタ温度（ＳＵＳ）、チャンバの内壁温度（ＷＡＬＬ）、及びシャワープレート温度（ＳＨＤ）が含まれる。図６（Ａ）の第２行目に示すように、第１条件は、ＴＥＯＳが改良されたシャワープレートを使って反応チャンバ内に導入される点を除いて従来のシャワープレートを使って実行されるのと同じである（例えば、反応ガス流量、圧力、温度及び高周波エネルギーレベルが同じ）。第３行目に示す第２条件では、ガスの消費量を削減するために、ＴＥＯＳ及びＯ２ソースガスの流量が第１条件から１０％だけ減少している。第４行目に示す第３条件では、ガスの消費量を削減するために減少したソースガスの流量は維持され、高い高周波電力レベル（ＨＲＦ）及び低い高周波電力レベル（ＬＲＦ）が調節された。図６（Ｂ）に示すように、高周波電力を調節することにより、従来の条件のもとでの膜応力とほぼ等しい膜応力が得られた。
【００４７】
図６（Ｂ）は、従来のシャワープレート及び図６（Ａ）に示す３つの異なる条件のもとで改良されたシャワープレートを使ってそれぞれ達成された、３００ｍｍのウエハを用いたクリーニング速度及び堆積膜厚均一性の実験結果を示す表である。３つの条件すべてにおいて、改良されたシャワープレートは従来のシャワープレートより高い堆積速度及びクリーニング速度をもたらした。さらに、直径が縮小した孔切削領域を有する改良されたシャワープレートは、膜厚均一性が１．５％と同等またはそれ以下であり、従来のシャワープレートに比べ膜厚均一性の改善を示した。
【００４８】
上記したように、均一な直径（例えば、１ｍｍ）の均一な断面の孔を有するようシャワープレートを改良することにより高いクリーニング速度を達成することが可能である。膜厚均一性の低下の問題は、孔切削領域を適当な直径とすることで改善されたが、従来のシャワープレートの代わりに断面が均一な孔を有する改良されたシャワープレートを使用する場合に、寄生プラズマまたは異常プラズマを含む付加的な問題が生じる。当該問題について、図７（Ａ）を参照して以下で詳細に説明する。
【００４９】
図７（Ａ）は、シャワープレート１２０及び該シャワープレートの上部に結合された従来の３０ｍｍセラミック製導管４３０を有するプラズマＣＶＤ装置４２５の上部を示す。導管４３０の上部はアルミニウム製導管４８０に結合されており、次いで隔離弁４９５に結合されている。処理中、反応ガスが反応チャンバ内に導入され、インサイチュプラズマ中で活性化される。正常な堆積プラズマ４５０がシャワープレート１２０の下側に生成されるが、シャワープレートと反応チャンバの天井との間に形成された水平プレナム内部及びシャワープレート上部の導管４３０内部には寄生プラズマ４６６が生成される。図２（Ａ）に示す孔２０８のような断面の不均一な孔を有する従来のシャワープレートを備えたＣＶＤリアクタ内でも寄生プラズマが生じるが、寄生プラズマ４６６の量は概して反応チャンバ内で膜堆積に悪影響を及ぼすほどの深刻なレベルではない。しかし、直径がより大きい孔（図２（Ａ）の孔２２０）を有するようシャワープレートを改良することにより、寄生プラズマ４６６の量は増加する傾向にあり、それは基板処理に不所望なレベルのものである。
【００５０】
改良されたシャワープレートにより生じる寄生プラズマの増加を抑制するひとつの方法は、従来の装置で使用される導管４３０を改良することである。図７（Ｂ）は本発明のひとつの実施形態に従うシャワープレート１２０の上部に設置されたセラミック製の改良された導管４４２を有するプラズマＣＶＤ装置４２５の拡大図である。セラミック製導管４４２は従来の導管４３０よりも長い。より長いセラミック製導管を使用する場合、高周波電力接地電位部位と高周波電力印加部位であるシャワープレート上部との間の距離が増加するため、電場強度が減少し、シャワープレート１２０上部で生成される寄生プラズマが減少する。改良されたセラミック製導管４４２の長さは従来のプラズマＣＶＤ装置で使用される導管４３０の長さより長いのが好ましく、典型的に約３０ｍｍである。しかし、ひとつの実施形態において、改良されたセラミック製導管４４２の長さは、好ましくは３５ｍｍ以上であり、より好ましくは４５ｍｍ以上である。ひとつの特定の実施形態において、直線でかつ均一な断面積の孔を使用しても、寄生プラズマの危険が非常に低いことを保証するために、改良されたセラミック製導管の長さは約５５ｍｍである。
【００５１】
図８は、ある条件のもとで、ウエハ処理中に生成される寄生プラズマの有無を示すグラフである。縦軸は反応チャンバの圧力を示し、横軸は高い高周波（ＨＲＦ）電力を示している。（１）は孔２０８（図２（Ａ））を有する従来のシャワープレート及び従来のセラミック製導管を使用した場合を、（２）は孔２２０（図２（Ｂ））を有する本発明のひとつの実施形態に従うシャワープレート及び従来のセラミック製導管を使用した場合を、（３）は孔２２０を有する本発明のひとつの実施形態に従うシャワープレート及び図７（Ｂ）に示す長いセラミック製導管を使用した場合をそれぞれ示す。グラフに示すように、長い導管を使用すると、ウエハ処理中に生成される寄生プラズマが大幅に減少し、従来の短い導管を使った場合より非常に低い反応チャンバ圧力（例えば、２００Ｐａ）及びより高いＨＲＦレベル（例えば、７００Ｗ）で膜堆積処理を実行することができる。
【００５２】
本発明の思想及び態様から離れることなく、さまざまな修正及び変更が可能であることは当業者の知るところである。よって、本発明は特許請求の範囲に記載された発明の態様の範囲においてあらゆる修正及び変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、本発明のひとつの実施形態に従うプラズマＣＶＤ装置の概略図である。
【図２】図２（Ａ）は、シャワープレート内の孔の形状を示す従来のシャワープレートの垂直断面図であり、図２（Ｂ）は本発明のひとつの実施形態に従うシャワープレートの垂直断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、本発明のひとつの実施形態に従うシャワープレートの平面図であり、図３（Ｂ）はシャワープレートの側面断面図であり、図３（Ｃ）は本発明のひとつの実施形態に従う螺旋模様のシャワープレートの孔の平面図である。
【図４】図４は、シャワープレートの孔切削領域の直径に対する、クリーニング速度と膜厚との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明のひとつの実施形態に従う、反応チャンバの内部の側面図である。
【図６】図６（Ａ）は、ＴＥＯＳ及び酸素を反応ガスとして使用した、従来のシャワープレートを使ったひとつの実験と、本発明のシャワープレートを使った３つの異なる実験に対する、薄膜堆積条件を示す表であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す堆積条件から得られるクリーニング速度と堆積膜厚の均一性の結果を示す表である。
【図７】図７（Ａ）は、寄生プラズマの存在を示す、従来のプラズマＣＶＤ反応チャンバの上部の側面図であり、図７（Ｂ）は本発明のひとつの実施形態に従うプラズマＣＶＤ反応チャンバの上部の側面図である。
【図８】図８は、従来のセラミック導管を有する従来のシャワープレートを使用する場合、従来のセラミック導管を有する新規なシャワープレートを使用する場合、本発明のひとつの実施形態に従う長いセラミック導管を有する新規なシャワープレートを使用する場合において、反応チャンバ圧力と高い高周波電力の組み合わせに基づくウエハ処理中に生成される寄生プラズマの有無を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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