JP2006202945A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体製造装置の排気能力の低下を抑制することにより、良好な膜質を形成することができるとともに排気管のクリーニング頻度を低減することができる半導体製造装置を提供する。
【解決手段】 プラズマＣＶＤ装置１１は、ウエハ１２に成膜処理を施すために用いられるチャンバ１３と、チャンバ１３内に成膜およびクリーニング処理するために用いるガスを導入する導入管１６と、ガスを用いてプラズマを発生させる一対の上部及び下部電極２２，１９と、高周波電源１４と、チャンバ１３内のガスを排気するための排気管１７とを有する。排気管１７には、一対の第１及び第２排気管電極３１，３２が配設されている。クリーニングガス１５ｂを用いて第１及び第２排気管電極３１，３２間にプラズマを発生させて、排気管１７内に堆積した副生成物３３と活性化した第２反応性ガス３５とを反応させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、成膜処理に用いられる半導体製造装置に関する。

半導体製造装置の１つに、例えば、半導体基板上にシリコン酸化膜や窒化膜を形成するためのプラズマＣＶＤ装置がある。プラズマＣＶＤ装置１００は、図３に示すように、半導体基板１０１に成膜処理を施すために用いられるチャンバ１０２と、チャンバ１０２内に成膜するためのガスを導入するガス導入口１０３と、チャンバ１０２内に設けられ成膜するためのガスを用いてプラズマを発生させる一対の電極１０４と、一対の電極１０４のうち一方の電極に接続された高周波電源１０５と、チャンバ１０２内の使用後のガスの排気に用いられる排気管１０６とを有する。

プラズマＣＶＤ装置１００による成膜処理では、まずガス導入口１０３からチャンバ１０２内にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を形成するための原料ガスを導入し、次に高周波電源１０５によって一対の電極１０４に高周波電圧を印加することにより電極１０４間にプラズマを発生させ、次にプラズマが発生した所にある原料ガスを活性化し、半導体基板１０１上にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を成膜する。このとき、活性化した原料ガスがチャンバ１０２内に流れたことにより、チャンバ１０２の内壁１０２ａや電極１０４などにシリコン酸化膜やシリコン窒化膜が副生成物１０７となって付着する。この付着した副生成物１０７を除去するために、成膜処理のあとにクリーニング処理を行う（例えば、特許文献１）。

クリーニング処理は、ガス導入口１０３からチャンバ１０２内にクリーニングをするために用いられるクリーニングガスを導入し、電極１０４間にプラズマを発生させてチャンバ内壁１０２ａや電極１０４に付着した副生成物１０７と活性化したクリーニングガスとを反応させて、付着した副生成物１０７の除去を行っている。

特開平１０−７９３７９号公報

しかしながら、チャンバの内壁１０２ａや電極１０４などプラズマによる活性化したクリーニングガスが行き届き易い範囲に付着した副生成物１０７は大半が除去されるが、上記一対の電極１０４から離れた排気管１０６に付着した副生成物１０７は、活性化したクリーニングガスが排気管１０６内に行き届きにくく除去しにくい。半導体基板１０１に成膜処理を繰り返し行ったことにより、排気管１０６の中に副生成物１０７が繰り返し堆積すると、排気管１０６の孔径が小さくなり、ガスの排気能力が低下する。排気能力が低下すると、成膜中の原料ガスを排気しにくくなり、これにより成膜する環境状態が劣化することがあった。環境状態が劣化して、半導体基板１０１上に成膜される膜質が悪化したことによる半導体基板１０１の不良を抑制するために、定期的にプラズマＣＶＤ装置１００を停止して排気管１０６のクリーニングを実施しなければならず、稼働率が低下するという問題があった。

本発明は、このような従来の技術の有する未解決な課題に着目してなされたものであって、半導体製造装置の排気能力の低下を抑制することにより、良好な膜質を形成することができるとともに排気管のクリーニング頻度を低減することができる半導体製造装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明に係る半導体製造装置は、第１の膜が形成されるべき半導体基板を支持するためのチャンバと、前記第１の膜の基となる第１のガスへの電圧の印加によってプラズマを発生させることにより、第２の膜を発生しつつ、前記半導体基板に前記第１の膜を形成する一対の第１電極と、前記チャンバに接続され前記形成後の前記チャンバ内に残っている第１のガスを排気するための排気管と、前記排気管内に設けられ、前記排気のときに前記排気管の内周面に付着した前記第２の膜を除去するために、前記排気管内に導入されるクリーニング用の第２のガスを用いてプラズマを発生させる一対の第２電極と、を有する。

この構成によれば、排気管内に設けられている第２の電極によってクリーニング用の第２のガスを用いてプラズマを発生させることにより、排気管内に活性化したクリーニング用のガスを届かせ、これにより、半導体基板に繰り返し成膜処理したときに排気管内に付着して堆積した第２の膜と活性化したクリーニング用の第２のガスとを反応させやすくし、付着した第２の膜を除去する。この結果、排気管の孔径が狭くなることを抑制することができ、排気能力が低下することを抑制することができる。よって、半導体基板への成膜する環境状態を悪化させずに良好な膜質を形成することが可能となり、この結果、プラズマＣＶＤ装置を停止して排気管のクリーニングを行う頻度を低減することができ、稼働率の低下を抑制することができる。

本発明に係る半導体製造装置は、前記一対の第２の電極は、前記チャンバと前記排気管とが接続された領域近傍に設けられていることが望ましい。

この構成によれば、チャンバと排気管とが接続された領域近傍に一対の第２電極が設けられているので、活性化した成膜ガスがより接触しやすい所の排気管の口元に堆積した第２の膜を除去することが可能となる。よって、排気管の排気能力が低減することをより抑制することができる。

本発明に係る半導体製造装置は、前記一対の第２電極は、前記排気管の内周面内に埋め込まれていることが望ましい。

この構成によれば、排気管の内周面内に一対の第２電極が埋め込まれているので、排気管の孔径を狭くすることなく、チャンバ内のガスを外部に排気することが可能となる。よって、ガスの排気能力が低減することを抑制することができる。

以下、本発明に係る半導体製造装置の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、半導体製造装置としてのプラズマＣＶＤ装置の構造を示す模式断面図である。以下、プラズマＣＶＤ装置の構造を、図１を参照しながら説明する。

図１に示すように、プラズマＣＶＤ装置１１は、半導体基板であるウエハ１２に薄膜を形成するために用いられ、所定の温度及び真空状態（減圧状態）に維持されるチャンバ１３と、高周波電源１４と、第１のガスである生成ガス１５ａなどを導入する導入管１６と、生成ガス１５ａなどを排気する排気管１７と、チャンバ内のガスを外部に排出するための真空ポンプ１８とを有する。

チャンバ１３内の下方には、ウエハ１２を載置するためのステージを構成する下部電極１９が配置されている。下部電極１９には、例えば、ウエハ１２を固定するための吸引機構（図示せず）が設けられており、下部電極１９の上面にウエハ１２を密着固定することが可能となっている。また下部電極１９には、下面略中央部に下部電極軸１９ａが接続されている。この下部電極軸１９ａは、チャンバ１３の下面壁１３ａを貫通して配置されており、その一旦側がグランド電位２０に接続されている。下部電極軸１９ａと下面壁１３ａとの間には、チャンバ１３内を真空状態に確保するために、シーリングなどのシール材２１が配設されている。

チャンバ１３の下側には、排気口１３ｂを介して、チャンバ１３内のガスを排気するための排気管１７が接続されている。排気管１７には、チャンバ１３内を真空状態（減圧状態）に維持したり、チャンバ１３内のガスを外部に排出するための真空ポンプ１８が接続されている。排出するガスは、チャンバ１３内で成膜処理するときに使用した生成ガスや、チャンバ内をクリーニングするときに使用した第２のガスであるクリーニングガスである。チャンバ１３内のガスは、排気管１７を介して真空ポンプ１８によって吸引される。

一方、チャンバ１３内の上方には、下部電極１９と向かい合わせの位置に上部電極２２が設けられている。上部電極２２には、その上面略中央部に上部電極軸２２ａが接続されている。上部電極軸２２ａは、チャンバ１３の上面壁１３ｃを貫通して配置されている。上部電極軸２２ａの一端側には、チャンバ１３の外部に配設された高周波電源１４が接続されている。上部電極２２と下部電極１９とは、プラズマを発生させるための一対の第１電極として用いられる。

上部電極軸２２ａには、例えば、生成ガス１５ａやクリーニングガス１５ｂを導入するための導入管１６が接続されている。導入管１６から生成ガス１５ａやクリーニングガス１５ｂを導入することにより、上部電極２２からガス１５ａ，１５ｂを噴出すことが可能となっており、減圧状態に維持されたチャンバ１３内には、生成ガス１５ａやクリーニングガス１５ｂが充填されるようになっている。

生成ガス１５ａは、例えば、ウエハ１２上にシリコン酸化（ＳｉＯ₂）膜を生成する場合には、モノシラン（ＳｉＨ₄）、一酸化ニ窒素（Ｎ₂Ｏ）、窒素（Ｎ₂）、酸素（Ｏ₂）、アルゴン（Ａｒ）等である。シリコン窒化（Ｓｉ₃Ｎ₄）膜を形成する場合には、モノシラン（ＳｉＨ₄）、アンモニア（ＮＨ₃）、窒素（Ｎ₂）、酸素（Ｏ₂）、アルゴン（Ａｒ）等が挙げられる。つまり、生成ガス１５ａは、形成する膜に応じてそれぞれ変更して使用する。なお、導入管１６を直接チャンバ１３に接続することにより、上部電極２２を介すことなくチャンバ１３内にそれぞれのガスを導入するようにしてもよい。

高周波電源１４は、チャンバ１３内に導入したガスをプラズマ化（活性化）させるための高周波（ＲＦ）を発生させることが可能になっている。そして、高周波電源１４によって発生した高周波（ＲＦ）を基に、上部電極２２に高周波電界を発生させる。この電界をトリガとしてチャンバ１３内に導入した、例えば生成ガス１５ａを励起させて、反応性の高いプラズマ状態（以下、「反応性ガス」という。）にする。そして、反応性ガスの作用によって、ウエハ１２の表面にシリコン酸化膜を堆積させる。

一対の電極である上部電極２２及び下部電極１９と、高周波電源１４とを含めてプラズマを発生させる装置となり、上部電極２２と下部電極１９との間にプラズマ放電を発生させることが可能となっている。

排気管１７には、その内周面に一対の第２電極である第１排気管電極３１と第２排気管電極３２とが配設されている。第１及び第２排気管電極３１，３２は、排気管１７のうち、第２の膜である副生成物が多く堆積する排気口１３ｂ近傍に設けられている。第１排気管電極３１には、下部電極１９と同様にグランド電位２０が接続されている。第２排気管電極３２には、上部電極２２と同様に高周波電源１４が接続されている。第１及び第２排気管電極３１，３２は、例えば、排気管１７の内の凹状に湾曲した内周面に沿って埋め込まれている。よって、排気管１７の孔径を狭くすることなくガスの排気を行うことが可能となっている。

一対の第１及び第２排気管電極３１，３２間にクリーニングガスを用いてプラズマを発生させることにより、活性化した反応性ガスを排気管１７内に行き届かせることができる。よって、この反応性ガスと排気管１７内に堆積した副生成物とを反応させることが可能となり、チャンバ１３内に堆積した副生成物を除去する際に除去されなかった排気管１７内の副生成物であっても、除去することができる。

図２は、プラズマＣＶＤ装置を用いてクリーニング処理を行う手順を示す工程図である。以下、プラズマＣＶＤ装置の排気管におけるクリーニング処理方法を、図２を参照しながら説明する。

図２に示すように、工程１では、ウエハ１２に成膜処理を施す。まず、チャンバ１３内の下部電極１９上にウエハ１２を載置して固定する。次に、真空ポンプ１８によってチャンバ１３内の気体を外部に排出することによって、チャンバ１３内を一定の真空状態（減圧状態）に維持する。次に、導入管１６から、例えば、シリコン酸化膜を成膜するための生成ガス１５ａを導入する。導入する生成ガス１５ａは、例えば、モノシラン（ＳｉＨ₄）、一酸化ニ窒素（Ｎ₂Ｏ）、窒素（Ｎ₂）、酸素（Ｏ₂）、アルゴン（Ａｒ）等である。

次に、高周波電源１４によって発生した高周波（ＲＦ）を基に、上部電極２２に高周波電界を発生させる。この電界をトリガとして、上部電極２２と下部電極１９との間に滞留する生成ガス１５ａを励起させて、活性化した反応性ガスにする。そして、反応性ガスの作用によって、ウエハ１２の表面にシリコン酸化膜を堆積させる。

工程２では、ウエハ１２への成膜処理に伴ってチャンバ１３内に副生成物３３が付着する。詳しくは、工程１によってウエハ１２に成膜処理を施した際に、上部電極２２及び下部電極１９間の放電によって活性化した反応性ガスが、成膜すべきウエハ１２以外のチャンバ１３の内壁や上部及び下部電極２２，１９、排気管１７内に接触し、副生成物３３となって付着する。この副生成物３３が、例えば、一定の厚みに堆積すると、自重や応力によって剥離したり飛散したりする。この副生成物３３が、例えば、成膜するウエハ１２に付着すると、回路の断線や短絡の原因となる。

工程３では、チャンバ１３内の生成ガス１５ａを排気する。まず、導入管１６からチャンバ１３内への生成ガス１５ａの導入を停止する。次に、真空ポンプ１８によって、チャンバ１３内に滞留する生成ガス１５ａ（使用後のガス）を排気管１７を介して外部に排気する。このとき、活性化した反応性ガスが排気管１７を通過する際に、排気管１７の内周面に副生成物として更に付着する場合がある。生成ガス１５ａがチャンバ１３内からなくなったあと、ウエハ１２を排出する。

工程４では、チャンバ１３内にクリーニングガス１５ｂを導入する。なお、チャンバ１３内に付着した副生成物３３のクリーニング処理は、成膜処理を行うたびに実施してもよいし、数回の成膜処理を行ったあとに実施するようにしてもよい。まず、真空ポンプ１８によって、チャンバ１３内の気体を外部に排出することによって、チャンバ１３内を一定の真空状態（減圧状態）に維持する。次に、導入管１６からチャンバ１３内に、クリーニングガス１５ｂを導入する。クリーニングガス１５ｂは、例えば、フッ素系のガスであり、三フッ化窒素（ＮＦ₃）、六フッ化エタン（Ｃ₂Ｆ₆）、四フッ化炭素（ＣＦ₄）などである。また、クリーニング効果を損なわない範囲で、例えば、副生成物３３の量、厚み、組成などに応じて、酸素（Ｏ₂）や不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）などのガスを混合して用いてもよい。

工程５では、チャンバ１３内及び排気管１７内に堆積した副生成物３３を除去するためのプラズマ処理（プラズマ洗浄）を行う。まず、高周波電源１４によって発生した高周波を基に、上部電極２２に高周波電界を発生させる。この電界をトリガとして、導入したクリーニングガス１５ｂを励起させて、活性化した第１反応性ガス３４にする。導入した、例えば三フッ化フッ素（ＮＦ₃）などは、窒素（Ｎ₂）やフッ素（Ｆ₂）などに分解され、チャンバ１３内壁や上部及び下部電極２２，１９に付着した副生成物３３と反応する。

また、上記した上部及び下部電極２２，１９によってプラズマ処理を行うと同時に、第１及び第２排気管電極３１，３２によってプラズマ処理を行って、排気管１７内に堆積した副生成物３３の除去を行う。まず、排気管１７の中に設けられた、第１排気管電極３１と第２排気管電極３２とによって、第１及び第２排気管電極３１，３２間に滞留するクリーニングガス１５ｂを活性化させて、第２反応性ガス３５にする。その後、第２反応性ガス３５が、排気管１７内に堆積した副生成物３３に接触する。

工程６では、第１反応性ガス３４及び第２反応性ガス３５と接触した副生成物３３を、例えば、揮発性の四フッ化ケイ素（ＳｉＦ₄）などとしてガス化し、真空ポンプ１８によって排気管１７を介して外部に排出する。その結果、チャンバ１３内や上部及び下部電極２２，１９などとともに、排気管１７内に堆積した副生成物３３が除去される。

第１及び第２排気管電極３１，３２によって行うクリーニング処理は、成膜処理の都度行うようにしてもよいし、複数回の成膜処理の後に行うようにしてもよい。また、上部及び下部電極２２，１９によるクリーニング処理とは別に、排気管１７の中だけをクリーニング処理するようにしてもよい。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られる。
（１）本実施形態によれば、排気管１７内に設けられている第１及び第２排気管電極３１，３２によってクリーニングガス１５ｂを用いてプラズマを発生させることにより、排気管１７内に活性化した第２反応性ガス３５を届かせ、これにより、繰り返し成膜処理したときに堆積した排気管１７内の副生成物３３と活性化した第２反応性ガス３５とを反応させやすくし、付着した副生成物３３を除去する。この結果、排気管１７の孔径が狭くなることを抑制することができ、排気能力の低下を抑制することができる。よって、ウエハ１２への成膜する環境状態を悪化させずに良好な膜質を形成することが可能となり、この結果、プラズマＣＶＤ装置１１を停止して排気管１７のクリーニングを行う頻度を低減することができ、稼働率の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態は上記に限定されず、以下のような形態で実施することもできる。
（変形例１）前記実施形態では、第１及び第２排気管電極３１，３２は、排気管１７のうち、副生成物が多く堆積する排気口１３ｂ近傍に設けられていた。これを、副生成物３３の堆積状態に応じて、排気管１７の延在方向に沿って第１及び第２排気管電極３１，３２の配設範囲を広げるようにしてもよい。これによれば、広範囲に亘ってプラズマを発生させることが可能となり、排気管１７に堆積する副生成物３３をより多く除去することができるので、排気能力を低下させずにチャンバ１３内のガスを外部に排気することができる。

一実施形態における、プラズマＣＶＤ装置の構造を模式的に示す断面図。 プラズマＣＶＤ装置をクリーニング処理する方法を順に示す図。 従来の半導体製造装置の構造を模式的に示す断面図。

符号の説明

１１…半導体製造装置であるプラズマＣＶＤ装置、１２…半導体基板であるウエハ、１３…チャンバ、１３ａ…下面壁、１３ｂ…排気口、１３ｃ…上面壁、１４…高周波電源、１５ａ…第１のガスである生成ガス、１５ｂ…第２のガスであるクリーニングガス、１６…導入管、１７…排気管、１８…真空ポンプ、１９…第１電極を構成する下部電極、１９ａ…下部電極軸、２０…グランド電位、２１…シール材、２２…第１電極を構成する上部電極、２２ａ…上部電極軸、３１…第２電極を構成する第１排気管電極、３２…第２電極を構成する第２排気管電極、３３…第２の膜である副生成物、３４…第１反応性ガス、３５…第２反応性ガス。

Claims (3)

1. 第１の膜が形成されるべき半導体基板を支持するためのチャンバと、
   前記第１の膜の基となる第１のガスへの電圧の印加によってプラズマを発生させることにより、第２の膜を発生しつつ、前記半導体基板に前記第１の膜を形成する一対の第１電極と、
   前記チャンバに接続され前記形成後の前記チャンバ内に残っている第１のガスを排気するための排気管と、
   前記排気管内に設けられ、前記排気のときに前記排気管の内周面に付着した前記第２の膜を除去するために、前記排気管内に導入されるクリーニング用の第２のガスを用いてプラズマを発生させる一対の第２電極と、
   を有することを特徴とする半導体製造装置。
2. 請求項１に記載の半導体製造装置であって、
   前記一対の第２の電極は、前記チャンバと前記排気管とが接続された領域近傍に設けられていることを特徴とする半導体製造装置。
3. 請求項１又は２に記載の半導体製造装置であって、
   前記一対の第２電極は、前記排気管の内周面内に埋め込まれていることを特徴とする半導体製造装置。
   

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