JP6422907B2

JP6422907B2 - 半導体製造装置

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Publication number: JP6422907B2
Application number: JP2016050181A
Authority: JP
Inventors: 慎哉佐藤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2036-03-14
Also published as: JP2017168534A

Description

本発明による実施形態は、半導体製造装置に関する。

ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置やＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置等の半導体製造装置において、成膜処理やエッチング処理を行っていると、排気配管内に副生成物が溜まる。シリコンを含有する副生成物は、例えば、ＣｌＦ_３ガスのようなクリーニングガスを用いて除去することができる。このような副生成物とクリーニングガスとが反応するときには熱が発生するので、従来、排気配管の温度をモニタすることによって、クリーニングの終点を検知していた。

しかし、クリーニングによって排気配管内に溜まっている副生成物が次第に少なくなると、単位面積当たりの発熱量が低下する。発熱量が低下し排気配管の温度が低下すると、副生成物とクリーニングガスとの反応速度もそれに伴って低下する。このため、クリーニングの終点検知の直前において、クリーニング処理は、比較的遅い反応速度で緩やかに長時間に亘って進行する。これでは、クリーニング時間が長くなってしまう。

特開２００６−００４９６２号公報

排気配管内のクリーニング時間を短縮することができる半導体製造装置を提供する。

本実施形態による半導体製造装置は、反応部からの排気ガスを搬送する第１配管を備える。第１供給部は、第１配管へクリーニングガスを供給する。ヒータは、第１配管に設けられている。温度センサは、第１配管またはヒータの温度を検知する。コントローラは、温度センサで検知された温度に基づいてヒータへ供給する電力を制御する。コントローラは、第１配管の温度をほぼ一定にするようにヒータへ供給する電力を制御する。

本実施形態による半導体製造装置１の構成の一例を示すブロック図。反応生成物からの反応熱、ヒータ９０からの供給熱および排気配管６０の温度の関係を示すグラフ。本実施形態による装置１のクリーニング処理の一例を示すフロー図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

図１は、本実施形態による半導体製造装置１（以下単に、装置１ともいう）の構成の一例を示すブロック図である。装置１は、例えば、ＣＶＤ装置、エピタキシャル装置等の成膜装置あるいはＲＩＥ装置等のエッチング装置でよい。

装置１は、チャンバ１０と、反応ガス供給部２０と、処理コントローラ３０と、ポンプ４０と、除害装置５０と、排気配管６０と、クリーニングガス供給部７０と、希釈ガス供給部８０と、ヒータ９０と、ヒータ・コントローラ９５と、温度センサＳとを備えている。

反応部としてのチャンバ１０は、半導体基板（図示せず）を収容可能であり、該半導体基板の表面に材料膜を成膜し、あるいは、半導体基板または半導体基板上の材料膜をエッチングするために反応ガスを導入する。チャンバ１０の内部は、ポンプ４０と圧力調整弁（図示せず）によって所定の圧力に調圧されており、反応ガス供給部２０から反応ガスを受け入れる。

第２供給部としての反応ガス供給部２０は、配管によってチャンバ１０と接続されており、チャンバ１０へ反応ガスを供給する。反応ガスは、例えば、シランや塩化シラン等のシリコンを含有する成膜ガス、フッ化硫黄やフッ化炭素等のフッ素を含有するエッチングガスでよい。

処理コントローラ３０は、チャンバ１０、反応ガス供給部２０、ポンプ４０、除害装置５０等の装置１の各構成を制御し、成膜処理またはエッチング処理を実行する。また、処理コントローラ３０は、クリーニングガス供給部７０および希釈ガス供給部８０を制御して排気配管６０のクリーニング処理を実行する。

ポンプ４０は、排気配管６０を介してチャンバ１０に接続されており、チャンバ１０内を真空引きし減圧する。ポンプ４０は、チャンバ１０内を真空引きすることによって、チャンバ１０内の反応生成ガス、および、クリーニングガス供給部７０からのクリーニングガスを排気配管６０へ導く。

除害装置５０は、排気配管６０に接続されており、反応生成ガスやクリーニングガスを処理して無害化し、処理後のガスを装置１の外部へ排出する。

排気配管６０は、チャンバ１０からポンプ４０および除害装置５０まで接続し、ポンプ４０を介してチャンバ１０内の反応生成ガスを除害装置５０へ搬送する。排気配管６０は、反応ガス供給部２０の配管とは異なる位置に接続されており、成膜処理またはエッチング処理時に発生する反応生成ガスをチャンバ１０から排気する。排気配管６０には、例えば、ステンレス等の耐腐食性材料を用いている。

反応生成ガスが排気配管６０を通過する際に、反応生成物が液化あるいは固化して排気配管６０の内壁に付着する場合がある。例えば、装置１がシラン等を用いて成膜処理をする場合、反応生成物として、塩化シランポリマが排気配管６０の内壁に付着する場合がある。大量の反応生成物が排気配管６０に溜まると、ポンプ４０による排気能力や減圧能力等に悪影響を与える。そこで、装置１は、定期的にクリーニングガス供給部７０からのクリーニングガスを用いて排気配管６０内をクリーニング処理する。

第１供給部としてのクリーニングガス供給部７０は、チャンバ１０近傍の排気配管６０に接続されており、クリーニングガスを排気配管６０へ供給する。クリーニングガスには、例えば、ＣｌＦ_３ガスまたはＮＦ_３ガスを用いる。ＣｌＦ_３ガスまたはＮＦ_３ガス等のクリーニングガスは、塩化シランポリマ等の反応生成物と反応して反応生成物を除去することができる。

希釈ガス供給部８０は、クリーニングガス供給部７０とともに、チャンバ１０近傍の排気配管６０に接続されており、希釈ガスをクリーニングガスと共に供給することができる。希釈ガスには、例えば、窒素等の不活性ガスを用いる。希釈ガスは、クリーニングガスを希釈し、クリーニングガスと反応生成物との反応速度および反応熱を制御するために用いられる。

ヒータ９０は、排気配管６０の周囲に設けられており、排気配管６０を加熱することができる。ヒータ９０には、温度センサＳが設けられている。温度センサＳは、排気配管６０またはヒータ９０の温度を検知し、その検知された温度（温度測定値）をヒータ・コントローラ９５へ出力する。ヒータ９０は、排気配管６０の全体を加熱できるものが好ましく、例えば、排気配管６０の周囲全体を被覆可能なジャケットヒータが望ましい。代替的に、ヒータ９０は、排気配管６０の一部分に設けられていてもよい。さらに、図１に示すように、複数の温度センサＳがヒータ９０または排気配管６０に設けられていることが望ましい。

コントローラとしてのヒータ・コントローラ９５は、温度センサＳからの温度測定値に基づいて、ヒータ９０へ供給する電力を制御する。即ち、ヒータ・コントローラ９５は、温度センサＳからの温度測定値を用いてヒータ９０への供給電力をフィードバック制御する。これにより、ヒータ・コントローラ９５は、ヒータ９０および排気配管６０の温度を制御することができる。例えば、ヒータ・コントローラ９５は、ヒータ９０および排気配管６０の温度がほぼ一定になるようにヒータ９０への供給電力を制御する。これにより、クリーニングガスと反応生成物との反応速度を安定させることができる。また、ヒータ・コントローラ９５は、温度センサＳでの温度測定値やその温度測定値の変化率に基づいて、処理コントローラ３０へ制御信号ＣＮＴを出力する。処理コントローラ３０は、制御信号ＣＮＴに応じてクリーニングガス供給部７０および／または希釈ガス供給部８０を制御する。これにより、処理コントローラ３０は、排気配管６０の温度に応じて、クリーニングガスの流量あるいは希釈ガスの流量を調節することができる。

図２は、反応生成物からの反応熱、ヒータ９０からの供給熱および排気配管６０の温度の関係を示す概略的なグラフである。縦軸は、反応生成物からの反応熱（ｋｃａｌ）、ヒータ９０からの供給熱（ｋｃａｌ）および排気配管６０の温度（℃）を示す。横軸は、クリーニング処理開始からの経過時間である。尚、ｔ０がクリーニング処理開始時点である。

ラインＬ１は、反応生成物からの反応熱（即ち、クリーニングガスと反応生成物との反応熱）を示す。ラインＬ２は、ヒータ９０からの供給熱を示す。ヒータ９０からの供給熱は、ヒータ・コントローラ９５から電力供給を受けたヒータ９０から発生する熱である。ラインＬ３は、排気配管６０またはヒータ９０の温度（即ち、温度センサＳで検出された温度測定値）を示す。

クリーニングガスが反応生成物と反応する際に、反応熱が発生する。クリーニング処理の開始当初、排気配管６０の内壁には反応生成物が大量に付着している場合、ラインＬ１で示すように、反応生成物からの反応熱は短時間で急激に上昇する（ｔ０〜ｔ１）。クリーニング処理が進み、反応生成物の量が少なくなると、反応生成物からの反応熱は低下する（ｔ１〜ｔ２）。

ここで、本実施形態では、ラインＬ２に示すように、ヒータ・コントローラ９５が、排気配管６０またはヒータ９０の温度をほぼ一定にするように、ヒータ９０への電力供給を制御する。これにより、反応生成物からの反応熱とヒータ９０からの供給熱との和をほぼ一定に維持することができる。即ち、反応生成物およびヒータ９０における全体の熱量がほぼ一定になるように（ヒータ９０からの供給熱が反応生成物からの反応熱を補うように）、ヒータ９０からの供給熱は、反応生成物からの反応熱の増減に対して逆に変化する。例えば、ヒータ９０からの供給熱は、反応生成物からの反応熱が増大する場合には低下し、一方、反応生成物からの反応熱が低下する場合には増大する。排気配管６０またはヒータ９０の温度をほぼ一定にすることによって、クリーニングガスと反応生成物との反応速度を安定させることができる。

もし、ヒータ９０が設けられていない場合、排気配管６０の温度は、反応生成物からの反応熱に伴って変化する。従って、排気配管６０の温度は、ｔ１またはｔ１の直後に最大となり、その後、ｔ２へ向かって低下する。この場合、クリーニングガスと反応生成物との反応速度も、排気配管６０の温度とともに変化する。従って、ｔ１の前後において、クリーニングガスと反応生成物との反応速度は速いものの、その後、反応速度は次第に低下する。その結果、反応生成物が或る程度分解されて少なくなると、クリーニングガスと反応生成物との反応が緩慢になり、クリーニング処理終了までの時間が長くなってしまう。図２では、ラインＬ１のｔ２近傍の裾（テール）が長くなる。

これに対し、本実施形態による装置１は、ヒータ９０からの供給熱が反応生成物からの反応熱を補い、排気配管６０またはヒータ９０の温度をほぼ一定にする。従って、クリーニングガスと反応生成物との反応速度が安定し、反応生成物がほぼ一定の速度で分解・除去され得る。その結果、反応生成物が或る程度分解されて少なくなっても、クリーニングガスと反応生成物との反応速度は維持され、クリーニング処理終了までの時間が短縮される。即ち、ラインＬ１のｔ２近傍の裾（テール）が短くなる。

また、もし、ヒータ９０が一定の出力で排気配管６０を加熱する場合、排気配管６０の温度は、依然として反応生成物からの反応熱に伴って変化する。この場合、ヒータ９０からの供給熱がさらに付加されるので、排気配管６０の温度は、ｔ１またはｔ１の直後に非常に高くなるおそれがある。温度が高すぎると、クリーニングガスが分解され失活してしまうおそれがある。例えば、ＣｌＦ_３ガスは、約１８０℃の温度で分解されてしまう。即ち、ＣｌＦ_３ガスの臨界温度は、約１８０℃である。従って、反応生成物からの反応熱およびヒータ９０からの供給熱によって、排気配管６０の温度が約１８０℃を超えると、クリーニング処理ができなくなる可能性がある。また、温度が高すぎると、排気配管６０（例えば、ステンレス）やフランジ面のシール材（Ｏリング）（図示せず）が反応生成物によって腐食または劣化する可能性もある。一方、ヒータ９０からの供給熱が低すぎると、上述のように、反応生成物が或る程度分解されて少なくなったときに、クリーニング処理終了までの時間が長くなってしまう。

これに対し、本実施形態による装置１は、反応生成物およびヒータ９０における全体の熱量がほぼ一定になるように、ヒータ９０からの供給熱を反応生成物からの反応熱に従って変化させている。これにより、排気配管６０またはヒータ９０の温度がほぼ一定に制御され得る。例えば、排気配管６０またはヒータ９０の温度は、クリーニングガスの臨界温度および排気配管６０の腐食を考慮して、約１００℃の温度に制御される。これにより、装置１は、排気配管６０の腐食を抑制しつつ、クリーニング処理を停滞させずにクリーニング時間を短時間にすることができる。

例えば、クリーニングガス（例えば、ＣＬＦ_３ガス）と反応生成物（例えば、塩化シラン）との反応速度は、それらの活性化エネルギーから計算すると２５℃の場合と比べて、１００℃の場合に約１０倍になると推測される。従って、反応生成物が少なくなったときに、ヒータ９０が排気配管６０を加熱することによって、クリーニングガスと反応生成物との反応を促進し、クリーニング処理を短時間で終了させることができる。

クリーニング処理の終点は、ヒータ９０への供給電力の単位時間当たりの変化率で判断すればよい。例えば、ラインＬ２に示すように、ヒータ９０への供給電力の変化率は、反応生成物とクリーニングガスとの反応が進行しているときには大きい（０〜ｔ２）。しかし、反応生成物の量が少なくなり、クリーニング処理が終点に近付くと、ヒータ９０への供給電力の変化率は小さくなる（ｔ２〜）。例えば、ｔ１近傍において、ラインＬ２の接線の傾きは比較的大きい。しかし、ｔ２以降、ラインＬ２の接線の傾きは比較的小さくなる。従って、ヒータ・コントローラ９５および処理コントローラ３０は、ヒータ９０への供給電力の単位時間当たりの変化率が或る閾値未満になったときにクリーニングガスの供給を停止すればよい。これにより、反応生成物の量がほとんど無くなったときに、クリーニング処理を自動的に終了させることができる。

尚、クリーニング処理の終点は、クリーニング処理開始からの時間に基づいて決定してもよい。この場合、処理コントローラ３０は、統計的に得られたクリーニング時間に基づいて、クリーニング処理開始から所定時間経過後にクリーニング処理を終了する。このようにしても、クリーニング処理を自動的に終了させることができる。勿論、クリーニング処理の終点は、ヒータ９０への供給電力の変化率およびクリーニング処理開始からの経過時間の両方を用いて決定してもよい。

次に、本実施形態による装置１の動作を説明する。

図３は、本実施形態による装置１のクリーニング処理の一例を示すフロー図である。処理コントローラ３０は、チャンバ１０および反応ガス供給部２０を用いて成膜処理またはエッチング処理を実行する。このとき、成膜処理またはエッチング処理で生成した反応生成ガスをチャンバ１０から排気するために、ポンプ４０が排気配管６０を介してチャンバ１０の内部を排気する。成膜処理またはエッチング処理を繰り返し実行した後、処理コントローラ３０は、クリーニング処理を開始する。

まず、ヒータ・コントローラ９５がヒータ９０へ電力を供給し、排気配管６０を所定温度まで加熱する（Ｓ１０）。このとき、クリーニングガスと反応生成物との反応はまだ始まっていない。従って、排気配管６０はヒータ９０からの供給熱によって所定温度まで加熱される。

次に、クリーニングガス供給部７０がクリーニングガスを排気配管６０へ供給する（Ｓ２０）。これにより、排気配管６０の内壁に付着した反応生成物がクリーニングガスと反応する。従って、反応生成物から反応熱が発生する。このとき、希釈ガスの供給量は任意でよい。

クリーニングガスと反応生成物との反応が進行している間、ヒータ・コントローラ９５は、温度センサＳから温度測定値のフィードバックを受けて、ヒータ９０および排気配管６０の温度がほぼ一定になるようにヒータ９０への供給電力を制御する（Ｓ３０）。

このとき、ヒータ・コントローラ９５および処理コントローラ３０は、ヒータ９０および排気配管６０の温度がほぼ一定となるように、クリーニングガスに含まれる希釈ガスの含有率を制御してもよい。この場合、クリーニングガスの供給量および／または希釈ガスの供給量を調整してからヒータ９０および排気配管６０の温度に反映されるまでに或る程度時間がかかる。しかし、このような手法であっても、ヒータ９０および排気配管６０の温度を制御することは可能である。

ここで、反応生成物からの反応熱が非常に大きい場合、ヒータ・コントローラ９５がヒータ９０への電力供給を停止しても、ヒータ９０および排気配管６０の温度が高くなりすぎる場合がある。このような事態に対処するために、装置１は、インターロック機能を有していてもよい。

例えば、ヒータ９０および排気配管６０の温度が閾値温度（第１温度）以上になった場合（Ｓ３５のＹＥＳ）、ヒータ・コントローラ９５は、制御信号ＣＮＴを立ち上げて処理コントローラ３０へ送信する（Ｓ４０）。処理コントローラ３０は、制御信号ＣＮＴに応じて、クリーニングガス供給部７０を制御し、クリーニングガスの供給量を減少させあるいはその供給を停止させる。それとともに、あるいは、代替的に、処理コントローラ３０は、制御信号ＣＮＴに応じて、希釈ガス供給部８０を制御し、希釈ガスの供給量（含有率）を増大させる（Ｓ５０）。クリーニングガスの供給量を減少させあるいはその供給を停止させることによって、クリーニングガスと反応生成物との反応が抑制されるので、反応生成物からの反応熱が抑制される。その結果、ヒータ９０および排気配管６０の温度が低下する。また、希釈ガスの供給量（クリーニングガスに対する含有率）を増大させても、同様にヒータ９０および排気配管６０の温度が低下する。このようなインターロック機能は、クリーニングガスの供給量および希釈ガスの供給量のいずれか一方あるいはその両方を調整することによって実行してよい。

ステップＳ５０の動作によって、ヒータ９０および排気配管６０の温度が閾値温度未満になった場合（Ｓ５５のＹＥＳ）、ヒータ・コントローラ９５は、制御信号ＣＮＴを立ち下げてクリーニングガス供給部７０および希釈ガス供給部８０を元に戻す（Ｓ６０）。これにより、クリーニングガスの供給量および希釈ガスの供給量をステップＳ２０およびＳ３０におけるそれらの供給量に戻す。そして、ステップＳ２０へ戻り、クリーニング処理を続行する。

ヒータ９０および排気配管６０の温度が閾値温度（第１温度）未満である場合（Ｓ３５のＮＯ）、ヒータ・コントローラ９５および処理コントローラ３０は、ヒータ９０への供給電力の単位時間当たりの変化率が閾値未満であるか否かを判断する（Ｓ７０）。ここで、ヒータ・コントローラ９５は、排気配管６０またはヒータ９０の温度だけでなく、ヒータ９０への供給電力の単位時間当たりの変化率もモニタする。ヒータ９０への供給電力の単位時間当たりの変化率が閾値以上である場合（Ｓ７０のＮＯ）、ヒータ・コントローラ９５および処理コントローラ３０は、反応生成物の多くがまだ除去されていないと判断し、クリーニングガスの供給量および希釈ガスの供給量を変更することなく、クリーニング処理を続行する（Ｓ２０）。

一方、ヒータ９０への供給電力の単位時間当たりの変化率が閾値未満になった場合（Ｓ７０のＹＥＳ）、ヒータ・コントローラ９５および処理コントローラ３０は、排気配管６０内の反応生成物が除去されたと判断し、クリーニングガスの供給を停止する（Ｓ８０）。

このように、本実施形態による装置１は、ヒータ９０からの供給熱が反応生成物からの反応熱を補い、排気配管６０またはヒータ９０の温度をほぼ一定にする。これにより、反応生成物が少なくなっても、クリーニングガスと反応生成物との反応速度は維持され、クリーニング処理終了までの時間が短縮される。

また、ヒータ・コントローラ９５は、排気配管６０またはヒータ９０の温度が閾値温度以上になったときに、クリーニングガスの供給量を減少させあるいはその供給を停止させる。それとともに、あるいは、代替的に、ヒータ・コントローラ９５は、排気配管６０またはヒータ９０の温度が閾値温度以上になったときに、クリーニングガスに含まれる不活性ガスの含有率を増大させる。このようなインターロック機能を備えることによって、装置１は、排気配管６０またはヒータ９０の温度を閾値温度未満に維持し、排気配管６０の腐食を抑制しつつ、クリーニングガスが分解され失活することを抑制することができる。その結果、クリーニング処理を停滞させずにクリーニング時間を短縮することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１・・・装置、１０・・・チャンバ、２０・・・反応ガス供給部、３０・・・処理コントローラ、４０・・・ポンプ、５０・・・除害装置、６０・・・排気配管、７０・・・クリーニングガス供給部、８０・・・希釈ガス供給部、９０・・・ヒータ、９５・・・ヒータ・コントローラ、Ｓ・・・温度センサ

Claims

反応部からの排気ガスを搬送する第１配管と、
前記第１配管へクリーニングガスを供給する第１供給部と、
前記第１配管に設けられたヒータと、
前記第１配管または前記ヒータの温度を検知する温度センサと、
前記温度センサで検知された温度に基づいて前記ヒータへ供給する電力を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記第１配管の温度をほぼ一定にするように前記ヒータへ供給する電力を制御する、半導体製造装置。
反応部からの排気ガスを搬送する第１配管と、
前記第１配管へクリーニングガスを供給する第１供給部と、
前記第１配管に設けられたヒータと、
前記第１配管または前記ヒータの温度を検知する温度センサと、
前記温度センサで検知された温度に基づいて前記ヒータへ供給する電力を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記第１配管または前記ヒータの温度をほぼ一定にするように前記クリーニングガスに含まれる不活性ガスの含有率を制御する、半導体製造装置。
反応部からの排気ガスを搬送する第１配管と、
前記第１配管へクリーニングガスを供給する第１供給部と、
前記第１配管に設けられたヒータと、
前記第１配管または前記ヒータの温度を検知する温度センサと、
前記温度センサで検知された温度に基づいて前記ヒータへ供給する電力を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記第１配管または前記ヒータの温度が第１温度以上になったときに、前記クリーニングガスの供給量を減少させあるいはその供給を停止させる、半導体製造装置。
反応部からの排気ガスを搬送する第１配管と、
前記第１配管へクリーニングガスを供給する第１供給部と、
前記第１配管に設けられたヒータと、
前記第１配管または前記ヒータの温度を検知する温度センサと、
前記温度センサで検知された温度に基づいて前記ヒータへ供給する電力を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記第１配管または前記ヒータの温度が第１温度以上となったときに、前記クリーニングガスに含まれる不活性ガスの含有率を増大させる、半導体製造装置。
前記コントローラは、前記第１配管または前記ヒータの温度をほぼ一定にするように前記クリーニングガスに含まれる不活性ガスの含有率を制御する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体製造装置。
前記コントローラは、前記第１配管または前記ヒータの温度が第１温度以上になったときに、前記クリーニングガスの供給量を減少させあるいはその供給を停止させる、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体製造装置。
前記コントローラは、前記第１配管または前記ヒータの温度が第１温度以上となったときに、前記クリーニングガスに含まれる不活性ガスの含有率を増大させる、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体製造装置。