JP2007227435A - 半導体製造装置のクリーニング方法およびクリーニング装置ならびに半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化ガリウム系半導体製造装置の各種部材のクリーニングに関し、確実に窒化物半導体からなる付着物を除去でき、しかも上記各種部材を傷めることのないクリーニング方法を得る。
【解決手段】チェンバー１、水素供給源６、タングステンなどからなる熱触媒体２、クリーニング対象となる部材３を加熱するヒーター４、排気装置５を備えたクリーニング装置を用い、チェンバー１内に水素供給源からの水素を導入し、熱触媒体２を発熱させて、水素活性種を生成させ、この水素活性種によってクリーニングする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置内部のウエハトレーなどの部材のクリーニングに関する。より詳しくは、（ＩＩＩ−Ｖ族）窒化物半導体を製造するためのＭＯＣＶＤ装置内の部材を熱触媒体を用いて発生させた水素活性種を用いてクリーニングする方法およびクリーニング装置ならびに半導体製造装置に関する。

（ＩＩＩ−Ｖ族）窒化物半導体は、ＬＥＤ等の発光デバイス、高速、高出力トランジスタ等の電子デバイスなど様々な分野で期待されている電子材料である。中でも窒化ガリウム系半導体は青色ＬＥＤとして実用化されており、今や欠かせないデバイスの一つとなっている。
上記デバイスに限らず、半導体を製造する際は、その製造環境をいかにクリーンな状態にするかが、高品質な半導体を得る上においても、歩留まり向上においても、最も基本的かつ重要な要素の一つである。

半導体製造における原料ガスの利用効率は低く、窒化物半導体からなる反応生成物、余剰堆積物（以下、付着物と総称する）が、基板上だけでなくチェンバー内にも堆積する。中でも（ＩＩＩ−Ｖ族）窒化物半導体を製造する装置であるＭＯＣＶＤ装置は、付着物による汚染が激しい。特に、サセプタやウエハトレーなどのリアクター（反応炉）周辺に付着した付着物は、剥離等により半導体製品に混入し、製品の品質が低下することが問題となっている。
品質低下を避けるため、定期的なパーツの交換や、チェンバー内の堆積物を除去するクリーニングが行われている。

クリーニング方法には種々あるが、大きくわけてドライクリーニングとウエットクリーニングがある。
一般に（ＩＩＩ−Ｖ族）窒化物半導体のウエットクリーニングには、塩酸、硫酸、フッ酸などが使われるが、窒化ガリウム系化合物半導体製造時の反応生成物等は、これらに溶解しないため、王水、熱燐酸が用いられる。

王水、熱燐酸によるウエットクリーニングの場合、チェンバー内にリンが残留し半導体の品質に悪影響を及ぼしたり、強酸であるため取り扱いに注意が必要である、廃液の処理設備が必要であるなどの問題がある。また、王水、熱燐酸はクリーニング力が強いためにパーツにもダメージを与える可能性があり、よって、選択的なクリーニングが可能なソフトなクリーニングが望まれている。

ドライクリーニングの場合、フッ素や塩素を加えたクリーニングガスを流し、プラズマを発生させたり、より反応性の高い三フッ化塩素を用いて高温で処理する方法がある。
また、熱水素を用いたドライクリーニングも行われている。熱水素によるクリーニング方法は、１０００℃以上に加熱したクリーニング対象物に水素を接触させて堆積物を除去するというものである。

熱水素によるドライクリーニングは、上述したウエットクリーニングのような問題はない。しかし、この方法ではウエハトレーを１０００℃以上の高温に加熱するため、トレーに反りが生じ変形する場合がある。高品質な半導体の製造にはトレーの温度分布が重要なパラメータとなる。トレーに反りが生ずると温度分布が変わってくるため、半導体の品質低下、成長再現性の低下を招く。そのためトレーの定期的な交換が必要であるが、交換にかかる費用、付着物除去にかかる人件費の他に、交換したトレーの正確な温度分布を、再度把握する手間など、トータルのランニングコストを引き上げることになる。

他に、熱触媒体を用いた水素活性種でクリーニングする方法も行われている。例えば、熱触媒体を用いて水素ガス活性種を発生させ、付着物を除去する工程を含む薄膜形成方法や、熱触媒体を用いて水素ガス活性種を発生させ、反応生成物、付着物を除去する機構を備えたことを特徴とするＰＥＣＶＤ装置が知られている。

これら、先行技術は、いずれもＰＥＣＶＤ装置を用いたシリコン半導体の製造装置に関するものである。このように、水素原子でシリコンがエッチングできることは既知であった。
しかし、これまで、窒化ガリウム系半導体製造装置に対し熱触媒体を用いて発生させた活性種水素でクリーニングすることを適用した例はなかった。
なぜなら、シリコン系半導体と窒化ガリウム系半導体とでは成長温度が大きく異なり、窒化ガリウム系半導体は非常に結合が強いことから、従来のソフトなクリーニング方法ではクリーニングが困難とされていたからである。
特開２００４−４３８４７号公報 特開２００４−１４９８５７号公報 奥村ら、"窒化物半導体の電子デバイス応用の現状と課題"、電子技術総合研究所彙集、Ｐ．１５３〜１５９、第６２巻、第１０、１１号（１９９９）

よって、本発明の課題は、窒化ガリウム系半導体製造装置の各種部材のクリーニングに関し、確実に窒化物半導体からなる付着物を除去でき、しかも上記各種部材を傷めることのないクリーニング方法を得ることである。

上記の課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、（ＩＩＩ−Ｖ族）窒化物半導体を製造するための半導体製造装置の内部もしくは該半導体製造装置の内部で用いられる部材に付着した窒化物半導体からなる付着物を、熱触媒体により発生させた水素活性種によってクリーニングすることを特徴とする半導体製造装置のクリーニング方法である。

請求項２にかかる発明は、前記（ＩＩＩ−Ｖ族）窒化物半導体が窒化ガリウム系半導体であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置のクリーニング方法である。
請求項３にかかる発明は、前記クリーニングの際の部材の温度が６００〜９００℃であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置のクリーニング方法である。
請求項４にかかる発明は、水素活性種を発生させるための触媒温度が１６５０〜１９５０℃であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置のクリーニング方法である。

請求項５にかかる発明は、前記水素活性種によるクリーニングの実施前に、塩素を含むクリーニングガスによってクリーニングを行うことを特徴とする請求項１ないし４にいずれかに記載の半導体製造装置のクリーニング方法である。
請求項７にかかる発明は、（ＩＩＩ−Ｖ族）窒化物半導体製造装置に用いられる部材のクリーニング装置であって、チャンバーと、このチャンバー１に設けられた熱触媒体と、チャンバー内に設けられ、クリーニングの対象となる部材を載置して、これを加熱するヒータと、チャンバー内を減圧状態とするための排気装置と、チャンバー内に水素を供給する水素供給源を備えたことを特徴とするクリーニング装置である。

請求項７にかかる発明は、基板上に窒化物半導体からなる薄膜を成膜する成膜装置とクリーニング装置とこれら成膜装置とクリーニング装置とを連結するグローブボックスを備え、
クリーニング装置は、チャンバーと、このチャンバーに設けられた熱触媒体と、チャンバー内に設けられ、クリーニングの対象となる部材を載置して、これを加熱するヒータと、チャンバー内を減圧状態とするための排気装置と、チャンバー内に水素を供給する水素供給源を備え、
上記成膜装置内で用いられる部材を該成膜装置からグローブボックスを介してクリーニング装置に移送し、この部材に付着した窒化物半導体からなる付着物を熱触媒体によって生成した水素活性種によりクリーニングし、クリーニング後の部材をグローブボックスを介して成膜装置に戻すように構成されていることを特徴とする半導体製造装置である。

本発明のクリーニング方法および装置によれば、熱触媒体と水素との反応により活性な活性種が生成し、この活性種が半導体製造装置内部あるいは、これを構成する各種部材に付着した窒化物半導体からなる付着物を簡単にかつ確実に除去する。しかも、各種部材を１０００℃以上の高温に曝す必要がなく、これの損傷を防ぐことができる。
本発明のクリーニング方法では、水素活性種によるクリーニングの実施前に、塩素を含むガスを用いたクリーニングを行うことにより、寄り効果の高いクリーニングが可能である。しかも、本発明のように、塩素を含むガスを用いた後で、水素活性種によるクリーニングをクリーニングを行うと、残留塩素を気にしなくてもよいので、非常に好ましい。

また、本発明の半導体製造方法および装置によれば、窒化物半導体からなる薄膜の成膜とウエハートレーなどの部材の付着物の除去を同時に行うことができ、効率の良い半導体装置の製造が可能となる。

図１は、本発明のクリーニング装置の一例を示すもので、半導体製造装置内部で用いられているウエハートレーなどの部材に付着した付着物を除去するための装置である。このものでは、半導体製造装置の操業を停止し、該装置から取り出した部材をクリーニングするものである。

この装置は、クリーニングが行われる密閉可能なチャンバー１と、このチャンバー１内に設けられた熱触媒体２と、チャンバー１内に設けられ、クリーニングの対象となる部材３を載置して、これを加熱するヒータ４と、チャンバー１内を減圧状態とするための排気装置５と、チャンバー１内に水素を供給する水素供給源６とから概略構成されている。

熱触媒体２は、タングステン、トリウム、モリブデン、白金、パラジウム、バナジウム、シリコンなどの金属材料からなるもので、コイル状、メッシュ状の形状となっており、これに電流を流すことにより１５００〜２０００℃に加熱されるようになっている。この熱触媒体２の温度は、図示しない放射温度計で測定することができ、この測定温度によって、熱触媒体２に流す電流値を制御して温度制御を行うことができる。熱触媒体２の温度が１５００℃未満であると水素活性種の生成が不十分であり、２０００℃を越えると消費電力が非常に大きくなるとともに、熱触媒体２の寿命が低下する。

また、この熱触媒体２の付近には、水素供給源６からの水素の導入口７が形成されており、この導入口７からチャンバー１内に送給された水素が高温の熱触媒体２と接触すると加熱され、活性化されて水素活性種となり、この水素活性種が部材３に付着した付着物を除去することになる。
さらに、熱触媒体２と部材３との距離が約５０ｍｍ程度となるように両者の位置関係が定められている。

このクリーニング装置を用いたクリーニング方法は以下のようである。ヒータ４上にクリーニング対象となる部材３、例えばウエハートレーを載置し、排気装置５を作動させてチャンバー１内を１〜１００Ｐａの減圧状態とする。ついで、ヒータ４に通電して部材３を６００〜９００℃に加熱する。部材３の温度が６００℃未満であるとクリーニングが不十分となり、９００℃を越えると部材３が熱によって変形したりして損傷、劣化する。これと同時に熱触媒体２にも通電してこれを１５００〜２０００℃に加熱する。この状態で、水素供給源６からの水素を１〜１００ｓｃｃｍ程度チャンバー１に送給し、水素活性種を発生させて、部材３のクリーニングを実施する。

クリーニング時間は、特に限定されず、対象となる部材３の大きさや付着物の付着度合などによって左右されるが、通常の８インチ用ウエハートレーでは０．５〜４時間とされる。
所定時間クリーニングを行った後、ヒータ４、熱触媒体２への通電を停止し、チャンバー１内を冷却して作業が終了する。

このようなクリーニング方法によれば、後述する具体例からも明らかなように、ウエハートレーなどの部材３に付着したＧａＮなどの窒化物半導体からなる付着物を完全に除去することができる。例えば、厚さ３〜５μｍのＧａＮからなる付着物を１〜３時間のクリーニングで除去できる。
また、対象部材３の加熱温度が１０００℃未満であっても、付着物を除去できるので、部材３を損傷、劣化させることもない。

このような水素活性種によるクリーニングの実施前に、チャンバー内を５００〜１０００℃に加熱し、０．１〜５０％の塩素を含んだガスを流通させておくと良い。塩素を希釈するガスは、窒素、水素、ヘリウム、アルゴン、空気などの塩素系ガスと反応しないガスを用いるのがよい。本発明では、塩素含有ガスによるクリーニングの後に、水素活性種によるクリーニングを行うので塩素ガスは低濃度でもよいが、濃度を高めて処理時間を短くしてもよい。比較的高い濃度の塩素含有ガスを用いることで塩素がチャンバー内に残っていたとしても、水素活性種によるクリーニング時に残留塩素は除去されるので、これら２つのクリーニング方法の併用は、非常に好ましい。

図２は、本発明の半導体製造装置の例を示すもので、この例では、クリーニングの対象となる部材としてウエハートレーを対象とするものである。
この例の製造装置は、成膜装置２１とクリーニング装置２２とこれら成膜装置２１とクリーニング装置２２とを繋ぐグローブボックス２３とから概略構成されている。

上記成膜装置２１は、成膜用の原料ガスを送給する上流フローチャンネル２１１と、成膜が行われる中間フローチャンネル２１２と、成膜によって生じた排ガスを排気するための下流フローチャンネル２１３とからなり、中間フローチャンネル２１２には、円盤状のウエハートレー２１４、サセプター２１５、ヒータ２１６が設置され、ウエハートレー２１４上にサファイアなどの基板２１７が載置されるようになっている。

クリーニング装置２２は、図１に示したクリーニング装置と同一構造のものであって、同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
また、成膜装置２１とクリーニング装置２２とを繋ぐグローブボックス２３は、その内部で、ウエハートレー２１４の成膜装置２１とクリーニング装置２２との間の移動が可能となっており、かつ基板２１７の外部への取り出しが可能なように構成されている。

また、成膜装置２１とグローブボックス２３との間、クリーニング装置２２とグローブボックス２３との間には、開閉弁２４、２５が間挿されており、両装置間での気体の流通が必要に応じて遮断できるようになっている。

この製造装置にあっては、成膜装置２１では、ＧａＮなどの窒化物半導体からなる薄膜を基板２１７上に成膜し、これと同時にクリーニング装置２２では、先の成膜工程で付着物が付着したウエハートレー２１４をクリーニングする。
ウエハートレー２１４のクリーニング方法は、先に説明したとおりであるので、説明は省略する。

ついで、グローブボックス２３にクリーニング装置２２からクリーニングしたウエハートレー２１４を移動し、このクリーニングされたウエハートレー２１４に新しい基板２１７を乗せる。これと同時に、成膜装置２１から成膜が終了したウエハートレー２１４をグローブボックス２３に移動し、ウエハートレー２１４から基板２１７を取り出す。
ついで、基板２１７を取り出したウエハートレー２１４をグローブボックス２３からクリーニング装置２２に移動し、これと同時に新しい基板２１７を載せたクリーニング済みのウエハートレー２１４をグローブボックス２３から成膜装置２１に送る。

そして、成膜装置２１では新しい基板２１７に対して窒化物半導体からなる薄膜が成膜され、クリーニング装置２２ではウエハートレー２１４のクリーニングが行われる。
以下、この操作を繰り返して連続的に成膜とクリーニングとが同時並行的に実施される。

なお、本発明では、上述の実施形態以外に、図２に示した成膜装置内に、熱触媒体を設け、水素を供給するように構成して、成膜装置内部において、各種部材をクリーニングするようにしてもよい。
また、２つ以上の半導体成膜チェンバーを用い、同一のチェンバーにおいて、半導体の成膜と、熱触媒体によって発生させた水素活性種によるチェンバー内部のクリーニングとを交互に実施するとともに、前記チェンバーが、クリーニングを行なっているときに、前記チェンバーと並列に設置した他のチェンバーを用いて半導体の成膜を行なうものであってもよい。

さらに、半導体を成膜するためのチェンバーを２つ以上有し、各チェンバーは、チェンバー内部をクリーニングするための水素活性種を発生させる熱触媒体を備え、半導体成膜とチェンバー内部のクリーニングとを交互に実施できるチェンバーであって、各チェンバーを切り替えることで半導体の製造を連続的に行なうものであってもよい。

以下、具体例を示す。
（例１）
図１に示したクリーニング装置を用いて、サファイア基板上に成膜した厚さ２．７μｍのＧａＮ膜をクリーニングした。熱触媒体には、タングステンワイヤを巻回してなるコイル状のものを使用し、サファイア基板から５０ｍｍ離して設置した。水素供給源から５０ｓｃｃｍ（標準状態換算で毎分５０ｃｍ３）の水素をチャンバー内に導入した。

基板温度８００℃、熱触媒体温度１７５０℃、圧力５０Ｐａの条件で、基板上のＧａＮ膜を１時間クリーニングした。クリーニング後のＧａＮ膜の断面の走査電気顕微鏡写真から水素活性種によるクリーニングによって、ＧａＮ膜の部分が、ほぼ除去されていることが判明した。圧力が１０Ｐａ程度までは、同じ温度条件でクリーニングが可能であった。ただし、１０Ｐａ前後では、クリーニング時間を長めにした方が良い。

（例２）
次に、水素活性種によるクリーニングにおけるクリーニング対象物の温度依存性を確認した。例１のような圧力条件では、ＧａＮ膜が全てクリーニングされてしまうため、温度依存性を確認できる条件として、圧力約２．７Ｐａにおいて実験を行なった。その他の条件は例１と同様である。
表１に、サンプルとなる基板の温度を変化させてクリーニングした結果を示す。処理前のＧａＮの膜厚を１として、クリーニングによりどの程度除去できたかを除去率によって表した。

表１に示したように、６００℃ではＧａＮ膜を除去できないが、それより高い温度であればトレーの反りを生じない１０００℃以下の範囲でクリーニングの効果がある。中でも、基板温度が８００℃前後のときが最も除去率が高かった。

（例３）
次に、熱触媒体の温度依存性の確認を行った。例２と同様に、温度依存性を確認できる処理圧力約２．７Ｐａにおいて実験を行なった。基板温度は８００℃とし、その他の条件は例１と同様である。
表２に、サンプル基板の温度を変化させてクリーニングした結果を示す。表１と同様に、処理前のＧａＮ膜の膜厚を１として、クリーニングによりどの程度除去できたかを除去率によって表した。

表２に示したように、熱触媒体が１６００〜２０００℃であれば、クリーニングの効果がある。中でも熱触媒体温度が、１８５０℃前後のときが最も除去率が高かった。

（例４）
従来方法である、基板温度を１０００℃以上に加熱して水素でＧａＮ膜をクリーニング処理する熱水素処理をした場合の基板の走査電子顕微鏡断面写真を検討したところ、ＧａＮ膜が残留しているのに加え、表面に雲状のものが堆積していることがわかった。この雲状のものは、上述した熱水素処理では除去することのできない残留物と考えられ、物理的に除去することが必要である。

本発明のクリーニング装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の半導体製造装置の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１・・チャンバー、２・・熱触媒体、３・・部材、４・・ヒータ、５・・排気装置、６・・水素供給源、２１・・成膜装置、２２・・・クリーニング装置

Claims (7)

1. （ＩＩＩ−Ｖ族）窒化物半導体を製造するための半導体製造装置の内部もしくは該半導体製造装置の内部で用いられる部材に付着した窒化物半導体からなる付着物を、熱触媒体により発生させた水素活性種によってクリーニングすることを特徴とする半導体製造装置のクリーニング方法。
2. 前記（ＩＩＩ−Ｖ族）窒化物半導体が窒化ガリウム系半導体であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置のクリーニング方法。
3. 前記クリーニングの際の部材の温度が６００〜９００℃であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置のクリーニング方法。
4. 水素活性種を発生させるための触媒温度が１６５０〜１９５０℃であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置のクリーニング方法。
5. 前記水素活性種によるクリーニングの実施前に、塩素を含むクリーニングガスによってクリーニングを行うことを特徴とする請求項１ないし４にいずれかに記載の半導体製造装置のクリーニング方法。
6. （ＩＩＩ−Ｖ族）窒化物半導体製造装置に用いられる部材のクリーニング装置であって、チャンバーと、このチャンバー１に設けられた熱触媒体と、チャンバー内に設けられ、クリーニングの対象となる部材を載置して、これを加熱するヒータと、チャンバー内を減圧状態とするための排気装置と、チャンバー内に水素を供給する水素供給源を備えたことを特徴とするクリーニング装置。
7. 基板上に窒化物半導体からなる薄膜を成膜する成膜装置とクリーニング装置とこれら成膜装置とクリーニング装置とを連結するグローブボックスを備え、
   クリーニング装置は、チャンバーと、このチャンバーに設けられた熱触媒体と、チャンバー内に設けられ、クリーニングの対象となる部材を載置して、これを加熱するヒータと、チャンバー内を減圧状態とするための排気装置と、チャンバー内に水素を供給する水素供給源を備え、
   上記成膜装置内で用いられる部材を該成膜装置からグローブボックスを介してクリーニング装置に移送し、この部材に付着した窒化物半導体からなる付着物を熱触媒体によって生成した水素活性種によりクリーニングし、クリーニング後の部材をグローブボックスを介して成膜装置に戻すように構成されていることを特徴とする半導体製造装置。
   

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