JP2006313934A - 半導体製造装置および半導体製造装置の成膜処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の成膜室を有する半導体製造装置において、上述した従来技術の問題点を解消して、１台の除害装置を用いながら、他の成膜室を待機させることなくクリーニング処理するようにして、スループットを向上する。
【解決手段】半導体製造装置は、複数のチャンバ１、２…を有する。各チャンバ１、２の排気ライン３１、３２は１台の除害装置２０に接続する。いずれかのチャンバ１、２でクリーニング時期に達すると、クリーニング時期に達したチャンバ１と他のチャンバ２とを併せてクリーニング処理する。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体製造装置に係り、特に複数の成膜室を有する半導体製造装置において、複数の成膜室を１台の除害装置でクリーニングすることが可能なものに関する。

複数の成膜室を有する半導体製造装置として、図７に示すような、マルチチャンバシステムが知られている。このシステムは、多角形をしたウェーハ搬送室１６を備える。このウェーハ搬送室１６の各辺に、複数のチャンバ１０が配設される。複数のチャンバ１０のうち、例えば一部がＣＶＤなどの反応ガスを使用してウェーハに成膜するプロセスチャンバ１〜４を構成し、残りが加熱チャンバ５、冷却チャンバ６、及び２台のロードロック室７、８を構成する。１式のウェーハ搬送用ロボット１４が、多角形をしたウェーハ搬送室１６に設けられて、複数のチャンバ１０に対してウェーハＷを搬送するようになっている。

２台のロードロック室７、８は、ウェーハＷを収納するウェーハ収納室９の一側に連通される。ウェーハ収納室９の他側には、装置外部とウェーハＷを複数保持できるキャリアの受渡しを行う３式のロードポート１１、１２、１３が設けられる。ウェーハ収納室９に、他の１式のウェーハ搬送ロボット１５が設けられて、ロードポート１１〜１３とロードロック室７、８とに対して収納したウェーハＷを搬送するようになっている。

上記構成において、半導体デバイスは次のように製造される。処理すべきウェーハＷが収容されたキャリアがロードポート１１〜１３に収容される。ロードポート１１〜１３のキャリアに収容されているウェーハＷが、ウェーハ収納室９内のウェーハ搬送ロボット１５によりウェーハ収納室９からロードロック室７、８に搬送される。ウェーハ搬送室１６内のウェーハ搬送ロボット１４により、ウェーハＷはロードロック室７、８から各プロセスチャンバ１〜４に搬送され、所定の処理を受ける。この処理が終了すると、ウェーハＷは、逆の手順でロードポート１１〜１３のキャリアに戻される。

以上の処理がすべてのウェーハＷについて終了すると、処理の終了したウェーハＷが収容されているキャリアがロードポート１１〜１３から搬出される。ところで、半導体製造装置の各プロセスチャンバ１〜４では、ガス、温度、圧力を制御し、各プロセスチャンバ１〜４を非同期で並行して運転し、ウェーハＷに成膜を行う。この成膜を何回も繰り返すことで、ウェーハＷ以外にもプロセスチャンバ１〜４の内壁に副生成物が付着する。その副生成物がパーティクルとなってウェーハＷの成膜に影響を及ぼすため、ある一定の周期で、クリーニングガスを使用して、各プロセスチャンバ１〜４をクリーニングする必要がある。

マルチチャンバシステムでは、各プロセスチャンバの使用頻度や、成膜レートによってそれぞれの累積膜厚が異なってくる。累積膜厚閾値が全プロセスチャンバにおいて同値の設定であっても、閾値オーバとなるタイミングが異なるため、クリーニングを実行するタイミングも異なってくる。なお累積膜厚閾値とは、クリーニングを必要とするチャンバ内副生成物の膜厚限界値をいう。そこで閾値オーバとなったプロセスチャンバだけを単独でクリーニングし、他のチャンバだけで成膜処理を行う。このため成膜用とクリーニング用のガスを同時に並行して装置外部へ安全に排出する必要がある。

装置から装置外部へ危険ガスを安全に排出するための除害装置は、成膜用ガスとクリーニング用ガスとが混合すると危険であるため、安全上同時に処理できない仕組みとなっている。したがって、通常は除害装置を処理するガスの種類に応じて２台以上設置することになる。

図８は、そのような複数台の除害装置２１、２２を設置した従来の半導体製造装置の概略構成図である。複数台の除害装置２１、２２がガス種毎（成膜ガス用とクリーニングガス用）に各チャンバ１、２…に、切換弁２３、２４で切換え可能に接続されている。各チャンバ１、２…毎に処理内容に応じて、どちらの除害装置２１、２２に切換えるかを決め、各チャンバ１、２…毎に単独でクリーニングを行なっている。例えば、チャンバ１で成膜し、チャンバ２ではクリーニングを行ない、さらに図示しないチャンバ３では成膜を行なっているとする。このときチャンバ１、３は成膜ガス用除害装置２１に、チャンバ２はクリーニングガス用除害装置２２にそれぞれ自動接続されて、成膜用ガスとクリーニング用ガスとが混合しないようになっている。

図９を用いて具体的に説明しよう。成膜を行うチャンバへのウェーハ搬送後（ステップ９１０）、成膜用プロセスレシピＡに基づいて当該チャンバの真空チェックが行なわれ、成膜処理がなされ、排気が行なわれる（ステップ９２０〜９４０）。このとき成膜ガスを処理するために、成膜ガス用除害装置２１に通じるバルブ２３を開くが、クリーニングガス用除害装置２２に通じるバルブ２４は閉じる。

一のチャンバが閾値オーバとなったら、当該チャンバからウェーハＷを搬送した後（ステップ９５０）、クリーニング用プロセスレシピＢに基づいて真空チェック、クリーニング、排気が行なわれる（ステップ９６０〜９８０）。このときクリーニングガスを処理するために、クリーニングガス用除害装置２２に通じるバルブ２４を開くが、成膜ガス除害装置２１に通じるバルブ２３は閉じる。なお、成膜とクリーニングとを切換える時には必ず、ステップ９４０、９８０の排気処理（ガス抜き）を行なっているので、各除害装置２１、２２でガスが混ざることはない。

上述したように構成すると、マルチチャンバシステムでは、必ず高価な除害装置が複数台必要となるため、非常にコスト高になるという問題があった。

そこで、マルチチャンバシステムなどの複数の成膜室を有する半導体製造装置において、全ての成膜室で成膜とクリーニングとの同期をとるようにして、除害装置を１台にすることが考えられている。すなわち、クリーニングする際は、他の成膜室を待機させて、閾値オーバとなった一の成膜室のクリーニング処理のみを行う。これに対して成膜する際は、全ての成膜室で成膜処理を同時に行うようにして、除害装置が１台でありながら、成膜用ガスとクリーニング用ガスとが混合することなく、安全に処理できるようにする。

しかし、そうすると、除害装置は１台で済ますことはできるが、一の成膜室をクリーニングする際、他の成膜室を待機させなければならないため、スループットが低下するという問題が新たに生じる。

本発明の課題は、複数の成膜室を有する半導体製造装置において、上述した従来技術の問題点を解消して、１台の除害装置を用いながら、他の成膜室を待機させることなくクリーニング処理するようにして、スループットを向上することが可能な半導体製造装置を提供することにある。

本発明は、複数の成膜室を有する半導体製造装置において、各成膜室の排気ラインは１台の除害装置に接続し、いずれかの成膜室でクリーニング時期に達すると、クリーニング時期に達した成膜室と他の成膜室を併せてクリーニング処理することを特徴とする半導体製造装置である。

本発明のように、クリーニング時期に達した成膜室と、クリーニング時期に達していない他の成膜室とを併せてクリーニング処理すると、他の成膜室を待機させないので、他の成膜室を待機させてクリーニング処理させる場合と比べて、半導体製造装置のスループットを向上できる。

本発明によれば、全チャンバを同時にクリーニングするようにしたことで、複数の成膜室を有する半導体製造装置においても、高価な除害装置台数を１台に削減できるととものスループットの向上が図れ、経済的な効果を得ることができる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

図１は、実施の形態による半導体製造装置の概略構成図である。本装置での成膜室としてのプロセスチャンバは複数台接続（マルチチャンバシステム）されており、各プロセスチャンバでは、ガス、温度、圧力などを制御し、ウェーハに成膜をして、ウェーハに付加価値を与えるようになっている。

ここでの装置は、成膜室としてのチャンバ１、２…を複数有する。各チャンバ１、２の排気ライン３１、３２は１台の除害装置２０に接続される。この除害装置２０は、装置から装置外部へ危険ガスを安全に排出するために設けられる。しかも、１台で、成膜時は成膜ガスを処理し、クリーニング時はクリーニングガスを処理する。いずれかのチャンバ１、２で閾値オーバとなってクリーニング時期に達すると、クリーニング時期に達したチャンバ１と、閾値オーバとなっていない他のチャンバ２とを併せてクリーニング処理するようになっている。

このように、クリーニング時期に達した一のチャンバ１と、クリーニング時期に達していない他のチャンバ２とを併せてクリーニング処理すると、一のチャンバ１をクリーニングするとき、他のチャンバ２を待機させないので、他のチャンバ２を待機させてクリーニング処理させる場合と比べて、装置のスループットが向上する。

図２は、複数のチャンバを有する装置の具体的な構成図である。装置は、成膜室としてのプロセスチャンバ１、２を複数有する。各チャンバ１、２の給気ライン４１、４２には、成膜ガスまたはクリーニングガスのいずれかが電磁弁５１ａ〜５１ｃ、５２ａ〜５２ｃにより選択的に供給され、あるいは供給停止されるようになっている。チャンバ１、２内で成膜するときは、成膜ガスを使用しウェーハ上に成膜することができる。また、チャンバ１、２に付着した副生成物をクリーニングするために、クリーニングガスを使用しチャンバ１、２をクリーニングすることができる。

各プロセスチャンバ１、２の排気ライン３１、３２は、ファースト排気用電磁弁５１ｅ、５２ｅとスロー排気用電磁弁５１ｄ、５２ｄとが並列接続された並列ラインから、真空ポンプ６１、６２を介して共通ラインに至り、この共通ラインに１台の除害装置２０が共通接続されている。

除害装置２０は、１台で、成膜時は成膜ガスを処理し、クリーニング時はクリーニングガスを処理する。いずれかのチャンバ１、２で累積膜厚が閾値オーバとなってクリーニング時期に達すると、クリーニング時期に達したチャンバ１と、閾値オーバとなっていない他のチャンバ２とを併せてクリーニング処理する。

このようなクリーニング処理をするために、装置には、次に説明するような累積膜厚を管理する処理、自動クリーニングを実行する処理、及び自動クリーニングを制御する処理がそれぞれ導入されている。

１．累積膜厚を管理する処理ウェーハＷに対して成膜するための制御内容を記述したプロセスレシピは、プロセスチャンバ内の雰囲気等を、段階的に制御し成膜を行うために、通常マルチステップ方式を採用している。このマルチステップ方式は、図３に示すように、真空引き、ガス出し、調圧、成膜などの制御内容を時系列にプロセスレシピＣに記述し、制御用コンピュータ（図示せず）がこのデータをもとに各デバイス（ガスバルブ、マスフローコントローラなど）を順次制御するものである。制御用コンピュータは、主に次のような制御機能を備えている。

複数のプロセスチャンバに対して、並行して成膜用プロセスレシピを制御する機能。

複数のプロセスチャンバに対して、並行してクリーニング用プロセスレシピを制御する機能。

通信回線を介してホストコンピュータと接続し、データの送受信をする機能。

プロセスレシピＣは制御用コンピュータのデータ記録媒体７０に記録される。なお、図示例のプロセスレシピでは、ステップ１で真空引き、ステップ２で成膜、ステップ３で成膜停止を、電磁弁５１ａ〜５１ｅ、５２ａ〜５２ｅを制御することでそれぞれ行うようになっている。

このプロセスレシピの中で実際に成膜するステップに、ステップ２に示すように、予め成膜レートを記述し、実際に制御用コンピュータが当該ステップを実行した実時間と、成膜レートとから膜厚を計算する（式（１））。

成膜レート(nm/分)×ステップ実行時間(秒)/60＝膜厚値(nm)…（１）
そして、各チャンバでプロセスレシピが実行される毎に膜厚値を加算していく（式（２））。

前プロセスレシピ実行時までの累積膜厚値＋膜厚値＝累積膜厚値…（２）
２．自動クリーニングを実行する処理これは、図４に示す累積膜厚監視処理フローによって構成する。予めクリーニングが必要となる累積膜厚の閾値を、経験値などから、データ保存領域４０に入力保存しておく。プロセスレシピを実行するたびに加算した累積膜厚値と閾値との大小関係を比較する（ステップ４１０）。

累積膜厚値が閾値を超えた時点でワーニング（警告）メッセージを装置表示画面に表示、あるいは工場ホストコンピュータに通信回線を介して報告する（ステップ４２０）。

通常、殆どのメーカでは、キャリア単位で成膜処理を行うため、閾値のワーニングが発生しても、途中でクリーニングを行うことはせず、キャリア内のウェーハＷ全てを処理してから、クリーニングを行う。したがって、ワーニングとなった時点では、ロット処理を中断することができない。このため、そのままロット内の全ウェーハ処理が終了するまで継続し、ロット終了報告待ち状態となる（ステップ４３０）。なお、ワーニング状態のまま成膜を継続するので、マージンをとって閾値を設定することが必要となる。

ロット処理終了後、全チャンバに対して自動でクリーニングレシピを実行し、チャンバクリーニングを行う（ステップ４４０）。

３．自動クリーニング制御処理
図５は、図４のステップ４４０における自動クリーニング実行処理の内容である。ここではプロセスチャンバ１が、マージンをとった閾値オーバになった場合を想定してある。

データ保存領域４０に、クリーニングレシピ情報Ｄ、累積膜厚値情報Ｅ、クリーニング用プロセスレシピＦが保存される。クリーニングレシピ情報Ｄには、各プロセスチャンバに対して自動クリーニングで使用されるクリーニングレシピ名称、実際にクリーニングするステップＮｏ.がそれぞれ記録される。図示例では、プロセスチャンバの数は４つで、これらの登録したクリーニングレシピ名称は、それぞれＡＡＡＡＡＡ、ＢＢＢＢＢＢ、ＣＣＣＣＣＣ、及びＤＤＤＤＤＤである。また、プロセスチャンバ１には、ステップＮｏ.２が登録してある。

累積膜厚値情報Ｅには、プロセスチャンバ１〜４の累積膜厚値が記憶される。

クリーニング用プロセスレシピＦは、予め編集しておいたもので、そのデータ構造はプロセスレシピと同一である。図示例にはクリーニングレシピ名称ＡＡＡＡＡＡのレシピの一部が示してある。ステップ１で真空引き、ステップ２で成膜レート−２０ｎｍ／ｍｉｎ（マイナスレート）のクリーニング、ステップ３でクリーニングガス供給停止の制御をそれぞれ行うようになっている。

図５の例示フローでは、まずクリーニング実行時にデータ保存領域４０のクリーニングレシピ情報Ｄから、登録したクリーニングレシピ名称ＡＡＡＡＡＡと、ステップＮｏ.２から該当するクリーニングレシピを検索し（ステップ４４１）、そのクリーニング用プロセスレシピの記述データからクリーニングレートを取得する（ステップ４４２）。

該当チャンバの累積膜厚値を、データ保存領域４０の累積膜厚値情報から取得し（ステップ４４３）、式３に基づいて本クリーニングレートと蓄積した累積膜厚値からステップ時間を算出する（ステップ４４４）。

累積膜厚値(nm)/成膜レート(nm/分)×60＝ステップ時間（秒）…（３）
該当チャンバ１のデータを式３に代入してステップ時間を求めると、１００／２０＊６０＝３００ｓｅｃが得られる。

ステップ４４４で算出した時間を、該当クリーニングレシピのステップ２の空欄Ｘに書き込み、クリーニング用プロセスレシピＡＡＡＡＡＡを完成する（ステップ４４５）。書込み後、装置に接続されている全てのプロセスチャンバ１〜４に対して、ステップ４４１〜ステップ４４５の処理を繰り返す（ステップ４４６）。

実施の形態では、１台の除害装置しか使用していない。したがって、プロセスガスとクリーニングガスとを混合させないようにするために、全プロセスチャンバ１〜４の処理を止めてからクリーニングする必要がある。しかし、閾値を超えたプロセスチャンバのみをクリーニングしていたのでは、装置全体としてのクリーニング回数が増え、生産効率を低下させるので、あるプロセスチャンバで閾値を越えた場合には、全プロセスチャンバのクリーニングを行う。そのために上記処理を繰り返すのである。

この繰り返しは、各プロセスチャンバ毎に累積膜厚が異なるため、クリーニングによって副生成物をエッチングする量が異なる。これを自動で計算し各プロセスチャンバ毎に最適なエッチング時間を算出するために行なっている。これにより、残りのプロセスチャンバについての各クリーニング用プロセスレシピＢＢＢＢＢＢ…を完成する。

全チャンバに対してクリーニング用プロセスレシピの作成を完了した時点で、全チャンバに対して該当クリーニング用レシピを実行する（ステップ４４７）。

図６に、上述した実施の形態と従来例との処理を比較したタイミングチャートを示す。図示例では、チャンバ１、２ともに３回成膜を行うと、クリーニング時期に達する。チャンバ１は、チャンバ２より、成膜レートは速く、クリーニングレートは遅い。つまり、チャンバ１は成膜に時間はかからないが、クリーニングに時間を要する。なお、ウェーハ搬入、搬出、次のウェーハ搬入、などの工程は省略してある。

従来例（ｂ）では、図４の処理フローが各チャンバ毎に必要となり、ワーニングを検知したところで、一のチャンバだけをクリーニングする仕組みになっている。したがって、該当チャンバをクリーニングする際、他のチャンバを待機させている。これに対して実施の形態（ａ）では、上記１．〜３．の処理を行うことで、図４の処理フローが各チャンバで共通となり、ワーニングを検知したところで、自動クリーニング実行処理ステップ４４０が働き、全てのチャンバを同時に並行してクリーニングする。したがって、一のチャンバをクリーニングする際、他のチャンバを待機させるものと比べて、スループットを向上できる。

なお、チャンバ毎に算出されたステップ時間に基づいてクリーニングを行うので、一のチャンバのクリーニングが終了しても、他のチャンバのクリーニングは継続している場合もある。ここで、複数のプロセスチャンバの内、閾値を超えたプロセスチャンバのクリーニングサイクルよりも倍以上のサイクルのプロセスチャンバがあれば、そのプロセスチャンバのみクリーニングの対象から除くようにしてもよい。その場合、対象から除かれたチャンバのクリーニングサイクルに達するまでの残り時間を記憶しておき、次回のクリーニング工程で、この残り時間が、閾値を超えたプロセスチャンバのクリーニングサイクルよりも倍以上であるか算出し、クリーニングの可否を決めて実行すればよい。

また、ワーニングの検知は、各チャンバの累積膜厚値を管理し、累積膜厚閾値により行なっている。したがって、各チャンバ毎にクリーニング用プロセスレシピでエッチングする量を時間で調整しているため、チャンバによってクリーニング終了時刻が異なるようになっている。したがって、エッチング量を時間調整しているので、必要以上にエッチングするとチャンバ自身の素材を削ってしまい、そのパーティクルがウェーハの成膜に影響してしまうものと比べて、パーティクルの影響を受けない良好な成膜が可能になる。

また、成膜処理とクリーニングとを並行処理することはなくなるので、成膜用ガスとクリーニング用ガスとの混在を回避でき、マルチチャンバシステムにおいても、システムに接続されている除害装置が１台であっても、成膜用ガスとクリーニング用ガスとを識別して、除害装置２０へ流すことができるので、成膜用ガスとクリーニング用ガスとが混合することなく、安全に処理できる。

実施の形態による半導体製造装置の概略構成図である。 実施の形態による半導体製造装置の具体的構成図である。 実施の形態によるプロセスレシピの構成図である。 実施の形態による累積膜厚監視処理フローである。 実施の形態による自動クリーニング実行処理フローである。 実施の形態と従来例との処理のタイミングチャートを比較した説明図である。 一般的な半導体製造装置のマルチチャンバシステムの構成図である。 従来例による半導体製造装置の概略構成図である。 従来例による処理フローと除害装置の切換え説明図である。

符号の説明

１、２ チャンバ（成膜室）
２０ 除害装置
３１、３２ 排気ライン

Claims (5)

1. 複数の成膜室を有する半導体製造装置において、
   各成膜室の排気ラインに接続される一本の共通ラインを有し、各成膜室から前記共通ラインに排気されるクリーニングガスを処理する一台の除害装置と、
   いずれかの成膜室でクリーニング時期に達すると、その成膜室に対して当該成膜室の累積膜厚値に応じたエッチング時間が設定されるクリーニング用プロセスレシピを実行するとともに、前記除害装置に接続されている他の成膜室に対しても当該他の成膜室の累積膜厚値に応じたエッチング時間が設定されるクリーニング用プロセスレシピを実行して、クリーニング時期に達した成膜室と当該クリーニング時期に達していない他の成膜室とのクリーニング処理を併せて行うよう制御する制御手段と、
   を有することを半導体製造装置。
2. 複数の成膜室を有する半導体製造装置において、
   各成膜室の排気ラインに接続される一本の共通ラインを有し、各成膜室から前記共通ラインに排気されるクリーニングガスを処理する一台の除害装置と、
   いずれかの成膜室でクリーニング時期に達すると、その成膜室に対して当該成膜室の累積膜厚値に応じたエッチング時間が設定されるクリーニング用プロセスレシピを実行するとともに、前記除害装置に接続されている他の成膜室に対しても当該他の成膜室の累積膜厚値に応じたエッチング時間が設定されるクリーニング用プロセスレシピを実行して、クリーニング時期に達した成膜室と当該クリーニング時期に達していない他の成膜室とのクリーニング処理を併せて行うよう制御する制御手段と、
   を有し、
   前記制御手段は、前記クリーニング処理終了後、各成膜室のうち前記累積膜厚値に応じたエッチング時間が長く算出された成膜室に合わせて、各成膜室の成膜処理を併せて行うよう制御することを特徴とする半導体製造装置。
3. 複数の成膜室を有する半導体製造装置において、
   各成膜室の排気ラインに接続される一本の共通ラインを有し、各成膜室から前記共通ラインに排気されるクリーニングガスを処理する一台の除害装置と、
   いずれかの成膜室でクリーニング処理が終了すると、各成膜室のうち該成膜室の累積膜厚値に応じたエッチング時間が長く算出された成膜室に合わせて、各成膜室の成膜処理を併せて行うよう制御する制御手段とを有することを特徴とする半導体製造装置。
4. 複数の成膜室の排気ラインから一本の共通ラインに排気されるガスを、当該共通ラインに接続された一台の除害装置で処理する半導体製造装置の成膜処理方法において、
   いずれかの成膜室でクリーニング時期に達すると、その成膜室に対して当該成膜室の累積膜厚値に応じたエッチング時間が設定されるクリーニング用プロセスレシピを実行するとともに、前記除害装置に接続されている他の成膜室に対しても当該成膜室の累積膜厚値に応じたエッチング時間が設定されるクリーニング用プロセスレシピを実行して、クリーニング時期に達した成膜室と当該クリーニング時期に達していない他の成膜室とのクリーニング処理を同時に並行して行い、
   クリーニング処理終了後、各成膜室のうち前記累積膜厚値に応じたエッチング時間が長く算出された成膜室に合わせて、各成膜室を同時に成膜処理を行うことを特徴とする半導体製造装置の成膜処理方法。
5. 複数の成膜室の排気ラインから一本の共通ラインに排気されるガスを、当該共通ラインに接続された一台の除害装置で処理する半導体製造装置の成膜処理方法において、
   クリーニング処理終了後、各成膜室のうち該成膜室の累積膜厚値に応じたエッチング時間が長く算出された成膜室に合わせて、各成膜室を同時に威膜処理を行うことを特徴とする半導体製造装置の成膜処理方法。

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