JP4027960B2

JP4027960B2 - 成膜処理装置

Info

Publication number: JP4027960B2
Application number: JP2006264306A
Authority: JP
Inventors: 秀樹李; 富廣米永
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1991-10-24
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: JP2007067422A

Description

本発明は、コールドウォール形の成膜処理装置に関する。

半導体集積回路の成膜工程に使用されるＣＶＤ装置は、処理容器全体を電気炉の中に入れて半導体ウエハを加熱するホットウォール形と、処理容器の温度に影響を与えずに半導体ウエハを加熱するコールドウォール形とに分けられる。一般に、ホットウォール形が一度に多数枚の半導体ウエハを成膜するバッチ処理に用いられるのに対し、コールドウォール形は半導体ウエハを１枚毎に成膜する枚葉処理に用いられる。

コールドウォール形ＣＶＤ装置では、サセプタ（基板設置台）に半導体ウエハを設置し、適当なヒータによりサセプタを介して半導体ウエハを加熱しながら、あるいはサセプタを介さず外部よりウエハに直接光を当てて加熱しながら、半導体ウエハの表面に所定のガスを供給し、そのガスの分解生成物あるいは反応生成物をウエハ上に堆積させる。このようにして半導体ウエハ上に皮膜が形成される時、半導体ウエハ周囲のサセプタ、ウエハ保持手段等の表面にも、反応ガスの分解生成物あるいは反応生成物が堆積して皮膜が付着する。また、処理容器の内側壁面にもそのような皮膜が付着することがある。

従来から、コールドウォール形ＣＶＤ装置内をクリーニングする方法として、ＮＦ3 を含むクリーニングガスを装置内に供給し、このクリーニングガスで上記のようなサセプタやウエハ保持手段等に付着した皮膜をエッチングして除去する方法が知られている（たとえば特許文献１参照）。このクリーニング方法では、ＮＦ3 自体の分解性がよくないので、プラズマを利用する。つまり、処理容器においてサセプタと対向する位置に電極板を配置し、サセプタと該電極板との間に高周波電圧を印加して、そこにプラズマを発生させ、そのプラズマによってＮＦ3 を活性状態に励起するようにしている。
特開平３−４７９６８号公報

上記のようなＮＦ3プラズマクリーニング方法は、プラズマと接触するサセプタ表面側やウエハ保持手段表面側の皮膜を効果的に除去することはできるが、プラズマの及ばないサセプタ裏面側などの部分の皮膜を除去できなかった。また、プラズマを利用するものであるため、処理容器内でプラズマを生成できないコールドウォール形成膜処理装置においては実施できないという制約もある。

また、排ガス規制の面から、ＣＶＤ装置においても排気ガスから有害、危険なガス成分を分解除去するための高価な除去装置を付設するのが通例となっているが、ＮＦ3 は分解しにくいガスであるため、反応ガス等の他の排気ガスと共通の除去装置が使えず、別個に専用の除去装置が必要であり、このため２台の除去装置を設置しなければならなかった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、処理装置内の隅々まで成膜時に各部に付着した不所望な皮膜を効果的にクリーニングすることができ、かつ特別な除去装置を必要としない成膜処理装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の成膜処理装置は、コールドウォール形の成膜処理装置であって、真空可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を載置する基板設置台と、前記基板設置台を加熱する設置台加熱手段と、前記処理容器の壁を加熱する壁加熱手段と、成膜処理工程において成膜用の処理ガスを前記基板設置台と対向する多孔板を介して前記処理容器内に供給する処理ガス供給手段と、クリーニング工程においてＣｌＦ3ガスを前記多孔板を介して前記処理容器内に供給するクリーニングガス供給手段とを有し、前記クリーニング工程において前記設置台加熱手段により前記基板設置台を構成する材料の前記ＣｌＦ3ガスに対する耐食温度の範囲内で前記基板設置台を第一の温度に加熱し、前記壁加熱手段により前記壁を構成する材料の前記ＣｌＦ3ガスに対する耐食温度の範囲内で前記壁を第二の温度に加熱した状態で、前記クリーニングガス供給手段により前記ＣｌＦ3ガスを前記処理容器内に供給し、プラズマのない雰囲気中で前記基板設置台及び前記壁に付着している皮膜を除去する。

本発明においては、成膜処理装置の処理容器内で枚葉式の成膜処理（処理容器内で被処理基板を載置した基板設置台を設置台加熱手段で加熱し、前記処理容器内に多孔板から反応ガスを導入して被処理基板上に成膜する処理）が行われた後に、処理容器内のクリーニングが行われる。このクリーニングでは、基板設置台加熱手段により基板設置台を耐食温度の範囲内で加熱しながら該多孔板を介して処理容器内にＣｌＦ3を含むクリーニングガスを供給する。その際、プラズマを用いない。ＣｌＦ3ガスは非常に活性であるため、耐食温度の範囲内の温度下で被膜と容易に反応する。つまり、ＣｌＦ3ガスの一部が反応して反応熱を発生すると、その反応熱で付近のＣｌＦ3ガスが活性化されて反応し、その反応熱によってさらに多くのＣｌＦ3ガスが活性化されて反応するという具合に自発的にエッチングを展開する。

本発明の好適な一態様として、基板設置台の材質は、窒化アルミニウム、石英、炭化シリコンまたはアルミナを含む。

また、本発明の成膜処理装置は、好適な一態様として、処理容器の壁を加熱する壁加熱手段を有し、クリーニング工程において該壁加熱手段により処理容器の壁を耐食温度の範囲内で加熱する。この場合、壁加熱手段は発熱手段を処理容器の壁に埋設して構成するのが好ましく、壁の材質はアルミニウムを好適に用いることができる。

本発明の成膜処理装置によれば、上記のような構成および作用により、処理装置内の隅々まで成膜時に各部に付着した不所望な皮膜を効果的にクリーニングすることができるとともに、特別な除去装置を不要とすることができる。

以下、添付図を参照して、本発明をコールドウォール形の枚葉式ＣＶＤ装置に適用した実施形態を説明する。

図１において、このＣＶＤ装置の処理容器１０はたとえばアルミニウムからなる円筒状のチャンバで、その中央部にサセプタ（基板設置台）１２が配設されている。成膜処理が行われる時、サセプタ１２上には点線で示すように半導体ウエハ１４が載置される。処理容器１０の一側壁にはゲートバルブ１６が設けられ、このゲートバルブ１６を介して半導体ウエハ１４が出し入れされるようになっている。

サセプタ１２の上方にはガスを均一に供給するための多孔板１８が取付され、この多孔板１８の奥（上部）よりガス導入管２０のガス吐出部２０ａが垂直に容器内に入れられている。このガス導入管２０には、反応ガス供給系２２とクリーニングガス供給系２４とが接続されており、これらの切り替えはバルブ２６，２８によって行われる。

クリーニングガス供給系２４には、エッチングガスとしてＣｌＦ3 を供給するＣｌＦ3 ガス供給部３０と、希釈用キャリアガスとしてＮ2 ガスを供給するＮ2 ガス供給部３２とが備えられ、これらのガス供給部３０，３２はそれぞれガス流量調整器（ＭＦＣ）３４，３６およびバルブ３８，４０等を介してガス導入管２０に接続される。ガス流量調整器３４，３６でＣｌＦ3 ガスおよびＮ2ガスそれぞれの供給流量が調節されることによって、ＣｌＦ3 が所定の濃度に希釈されたクリーニングガスがガス導入管２０に供給されるようになっている。

処理容器１０の下部において、容器底面１０ａには複数の排気口４２が設けられている。処理容器１０内で発生した反応生成物のガスや余った反応ガスまたはクリーニングガスは、これらの排気口４２から排気管４４を通って真空ポンプ４６側へ排出される。この真空ポンプ４６としては、オイルフリーのドライポンプを用いるのが好ましい。これは、クリーニングガスとしてＣｌＦ3 を用いるために、ウェットポンプを使用するとポンプオイルの劣化やオイル中に混入した塩素やフッ素によってポンプ自体の劣化を生ずるおそれがあるからである。

真空ポンプ４６より後段の排出系には、このポンプから排出された反応ガスまたはクリーニングガスの排ガスから有害、危険なガス成分を除去するための除去装置４８が設けられている。この除去装置４８には、有害、危険なガス成分を吸着または分解するための薬剤が入った筒５０が収容されている。

また、サセプタ１２の下方の容器底面にはクォーツウィンドウ５２が取付されその下に加熱用のハロゲンランプ５４が配設されている。成膜工程時、このハロゲンランプ５４からの光はクォーツウィンドウ５２を通ってサセプタ１２の裏面を照射し、その光エネルギでサセプタ１２がたとえば６５０〜７００℃に加熱され、この加熱されたサセプタ１２を介して半導体ウエハ１４がたとえば５００℃〜５５０℃程度に加熱されるようになっている。

次に、このＣＶＤ装置におけるタングステン系皮膜の成膜工程と、このＣＶＤ装置のクリーニング工程について説明する。

先ず、タングステン系皮膜の成膜工程について説明する。成膜処理を受ける半導体ウエハ１４は、ゲートバルブ１６を介してハンドアーム等のウエハ搬送機構（図示せず）によりサセプタ１２上にローディングされる。次に、反応ガスとして、たとえばＷＦ6 （六フッ化タングステン）およびＳi Ｈ2 Ｃ12（ジクロールシラン）がそれぞれ所定の流量で反応ガス供給系２２よりガス導入管２０を介して処理容器１０内に導入され、この導入された反応ガスが多孔板１８を通って半導体ウエハ１４に吹き付けられることにより、半導体ウエハ１４の表面にＷＳi （タングステン・シリサイド）の皮膜が形成される。また、別の反応ガスとしてＷＦ6 とＨ2 を用いたときは、Ｗ（タングステン）の皮膜が半導体ウエハ１４の表面に形成される。

この成膜工程において、半導体ウエハ１４はサセプタ１２を介して加熱ランプ５４によって加熱されるが、処理容器１０自体は常温（室温）状態におかれる。また、反応ガスの分解生成物または反応生成物の大部分は半導体ウエハ１４の表面に堆積するが、一部はサセプタ１２の外周縁部やウエハ保持部材（図示せず）に付着し、処理容器１０の内壁面にもわずかであるが付着する。そして、成膜工程が終了すると、半導体ウエハ１４は上記ウエハ搬送機構によりサセプタ１２からアンローディングされる。このアンローディングまたはローディングの際に、半導体ウエハ１４あるいはサセプタ１２、ウエハ保持部材等から皮膜が剥がれ落ちることがあり、その剥がれ落ちた皮膜片は処理容器１０の底面１０ａ等に付着する。

上記のような成膜工程が所定回数実施されると、成膜工程が一時中断され、反応ガス供給系２２および加熱ランプ５４がオフに切り替えられ、処理容器１０内に半導体ウエハ１４が入っていない状態で、常温のまま、本実施例によるクリーニングが行われる。このクリーニングに先立ち、Ｈ2 ガスまたはＮ2 ガス等によるパージが行われ、処理容器１０から反応ガスが除去される。

本実施例によるクリーニングにおいては、上記のようにクリーニングガス供給系２４よりＣｌＦ3 ガスをＮ2 ガスで所定の濃度に希釈したクリーニングガスがガス導入管２０を介して処理容器１０内に導入され、その導入されたクリーニングガスは多孔板１８からサセプタ１２その他の装置各部へ供給される。

ＣｌＦ3 ガスは化学的に活性なガスで、プラズマがなくても、皮膜、特にタングステン系の皮膜とよく反応する。したがって、クリーニングガスが処理容器１０内に充満するようにその供給流量が制御されることで、ＣｌＦ3 ガスが処理容器１０内の隅々まで行き渡り、各部に付着しているＷＳi 皮膜もしくはＷ皮膜はＣｌＦ3 ガスの供給を受けるだけで効果的にエッチングされることになる。

これにより、従来のＮＦ3 のプラズマ式クリーニング方法によっては除去することが難しい容器底面１０ａ上の皮膜も、本実施例のクリーニング方法によれば容易に除去される。したがって、作業員の手を煩わせるマニュアルクリーニングは不要である。なお、ＣｌＦ3 ガスが排気口４２、排気管４４を通る際に、そこに付着している皮膜もエッチングされ除去される。

また、ＣｌＦ3 ガスは分解性がよく、アルカリ溶液等にも容易に溶けるため、その排ガスを反応ガスの排ガスと同様に共通の除去装置４８で処理することができる。したがって、クリーニング用の特別な除去装置は不要である。

図２〜図５は、本実施例のクリーニング方法によるエッチング効果を示すグラフである。図示のデータは、表面にＷ皮膜が形成された半導体ウエハを試験材としてサセプタ１２上に置き、種々の条件の下で上記のＣｌＦ3 ガスを含むクリーニングガスを供給したときの該半導体ウエハのＷ皮膜のエッチングレートを測定した実験例で得られたものである。

まず、図２のグラフは、室温下で、クリーニングガス中のＣｌＦ3 ガス、Ｎ2ガスの流量をそれぞれ５００ｓｃｃｍに一定に保ち、ガスの圧力を変化させたときのエッチングレートの特性を示す。この図２に示されるように、ガス圧を高くするほど、ＣｌＦ3 ガスとＷ皮膜との反応が促進されてエッチングレートが上がり、１０〜５０Ｔｏｏｒの圧力に対して約２０００〜４０００オングストローム／ｍｉｎのエッチングレートが得られることが判る。

図３のグラフは、室温下で、Ｎ2 ガスの流量を１５００ｓｃｃｍ、圧力を１０Ｔｏｏｒにそれぞれ一定に保ち、ＣｌＦ3 ガスの流量を変えたときのエッチングレートの特性を示す。図３から、ＣｌＦ3 ガスの流量を大きくするほどＣｌＦ3 ガスの供給量が増大してエッチングレートが上がり、４００〜１０００ｓｃｃｍのＣｌＦ3 ガス流量に対して約３０００〜６０００オングストローム／ｍｉｎのエッチングレートが得られることが判る。

図４のグラフは、室温下で、ＣｌＦ3 ガスの流量を５００ｓｃｃｍ、圧力を１０Ｔｏｏｒにそれぞれ一定に保ち、Ｎ2 ガスの流量を変えたときのエッチングレートの特性を示す。この図４から、Ｎ2 ガスの流量を大きくするほどＣｌＦ3 ガスが希釈されてエッチングレートが下がり、５００〜５０００ｓｃｃｍのＮ2 ガス流量に対して約４５００〜２５００オングストローム／ｍｉｎのエッチングレートが得られることが判る。

図５のグラフは、室温下で、圧力を１０Torrに保ち、ＣｌＦ3 ガスとＮ2 ガスの流量比を一定（１：３）にして全流量を変化させたときのエッチングレートの特性を示す。この図から、クリーニングガスの流量を上げるほどＣｌＦ3 ガスの供給量が増大してエッチングレートが上がり、４００／１２００〜１０００／３０００のＣｌＦ3 ／Ｎ2 ガスの流量に対して約３６００〜４８００オングストローム／ｍｉｎのエッチングレートが得られることが判る。

このように、ＣｌＦ3 ガスを用いるクリーニング方法によれば、室温でも、ガスの流量、圧力、ＣｌＦ3 ガスの濃度等の条件を適当に選ぶことで、３０００オングストローム／ｍｉｎ以上のエッチングレートを容易に得ることができる。なお、ＷＳi 皮膜においても同様のエッチングレートが得られることが実験で確認できた。この点、従来のＮＦ3 ガスによるプラズマ式のクリーニング方法で得られるエッチングレートは高々２０００オングストローム／ｍｉｎ程度であるから、クリーニング効率においても従来方法に勝るとも劣らない効果が得られる。

次に、本発明の一実施形態について説明する。本発明の一実施形態は、コールドウォール形の処理装置、たとえば図１に示すような処理装置において、サセプタ１４、ウエハ保持部材（図示せず）、処理容器１０の内壁等の加熱可能な部分をＣｌＦ3 に対して耐食温度の範囲内で高温に維持した状態で、そこにＣｌＦ3 を含むクリーニングガスを供給して、容器１０等の各部、特に加熱可能な部分のクリーニングを行うものである。

図６は、本発明のコールドウォール形処理装置内の加熱可能な部分に利用可能な好ましい材質、すなわちＳＵＳ430、ＳＵＳ304、ＳＵＳ316、アルミニウム（Ａl）、ニッケル（Ｎi）、インコネル、石英、アルミナ（Ａl2）、炭化シリコン（ＳiＣ）、酸化ジルコニウム（ＺrＯ2）および窒化アルミニウム（ＡlＮ）のＣｌＦ3 に対する各耐食温度を示す。これらの材料をサセプタ、ウエハ保持部材、処理容器等の加熱可能な部分に用いた場合は、それらを高温にするほどクリーニング速度が大きくなる。しかし、耐食範囲を越えると、その部材自体から逆にパーティクルが発生するので、具合が悪い。したがって、高温にするとはいっても、各部の耐食温度以下に抑えるのが望ましい。

図７は、コールドウォール形処理装置内の加熱可能部分を炭化シリコン（ＳｉＣ）で構成し、容器内の真空度（１０Ｔｏｒｒ）、クリーニングガス（ＣｌＦ3 ／Ｎ2 ）の流量（１００／２０００ｓｃｃｍ）、クリーニングガス供給法（ＣｌＦ3 ／Ｎ2 の同時出し）、クリーニング時間（２０秒間）の諸条件を固定し、クリーニング温度を変化させたときのエッチングレートの特性を示す。この図７に示されるように、クリーニング温度を高くするほどエッチングレートは上昇し、２００℃付近の高温下では約３２００オングストローム／ｍｉｎのエッチングレートが得られることがわかる。

なお、加熱手段としては、図１のハロゲンランプ５４のような加熱処理用の加熱手段を利用してもよく、さらにはクリーニング用としてニクロム線等の発熱手段を処理容器１０の壁等の内部に埋設してもよい。

上述した実施形態はＷ皮膜またはＷＳi 皮膜を除去してクリーニングを行うものであったが、タングステン系の皮膜に限らず、他の成膜材料の不所望な皮膜に対しても本発明のクリーニング方法を用いることができる。また、上述した実施形態におけるコールドウォール形処理装置は枚葉式ＣＶＤ装置であったが、本発明のクリーニング方法はその種の成膜処理装置に限定されるものではなく、スパッタ装置等の他の方式のコールドウォール形成膜処理装置にも使用できるものである。

本発明の一実施形態によるクリーニング方法を実施するためのコールドウォール形枚葉式ＣＶＤ装置の全体構成を示す略断面図である。実施形態のクリーニング方法における圧力に対するエッチングレートの特性を示すグラフである。実施形態のクリーニング方法におけるＣｌＦ3 ガスの流量に対するエッチングレートの特性を示すグラフである。実施形態のクリーニング方法におけるＮ2 ガスの流量に対するエッチングレートの特性を示すグラフである。実施形態のクリーニング方法におけるクリーニングガスの総流量に対するエッチングレートの特性を示すグラフである。実施形態におけるコールドウォール形成膜処理装置内の加熱可能部分に利用可能な種々の材質のＣｌＦ3 に対する各耐食温度を示す表である。実施形態のクリーニング方法における温度に対するエッチングレートの特性を示すグラフである。

符号の説明

１０処理容器
１２サセプタ
１４半導体ウエハ
２２反応ガス供給系
２４クリーニングガス供給系
３０ＣｌＦ3 ガス供給部
３２Ｎ2 ガス供給部
４８除去装置

Claims

コールドウォール形の成膜処理装置であって、
真空可能な処理容器と、
前記処理容器内で被処理基板を載置する基板設置台と、
前記基板設置台を加熱する設置台加熱手段と、
前記処理容器の壁を加熱する壁加熱手段と、
成膜処理工程において成膜用の処理ガスを前記基板設置台と対向する多孔板を介して前記処理容器内に供給する処理ガス供給手段と、
クリーニング工程においてＣｌＦ3ガスを前記多孔板を介して前記処理容器内に供給するクリーニングガス供給手段と
を有し、前記クリーニング工程において前記設置台加熱手段により前記基板設置台を構成する材料の前記ＣｌＦ3ガスに対する耐食温度の範囲内で前記基板設置台を第一の温度に加熱し、前記壁加熱手段により前記壁を構成する材料の前記ＣｌＦ3ガスに対する耐食温度の範囲内で前記壁を第二の温度に加熱した状態で、前記クリーニングガス供給手段により前記ＣｌＦ3ガスを前記処理容器内に供給し、プラズマのない雰囲気中で前記基板設置台及び前記壁に付着している皮膜を除去する成膜処理装置。
前記壁加熱手段は、発熱手段を前記壁に埋設して構成することを特徴とする請求項１記載の成膜処理装置。
前記壁の材質はアルミニウムであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の成膜処理装置。
前記基板設置台の材質は窒化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１記載の成膜処理装置。
前記基板設置台の材質は石英を含むことを特徴とする請求項１記載の成膜処理装置。
前記基板設置台の材質は炭化シリコンを含むことを特徴とする請求項１記載の成膜処理装置。
前記基板設置台の材質はアルミナを含むことを特徴とする請求項１に記載の成膜処理装置。
前記第一の温度及び前記第二の温度は５０℃〜４００℃の範囲にある請求項１〜７のいずれか一項記載の成膜処理装置。