JP2007287935A - 気相成長装置とそれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クリーニングの終点を適確に検出することが困難であった。
【解決手段】マスフローコントローラ１３は、反応炉１の排気経路６に接続されている。制御部３０は、反応炉１のクリーニング時、マスフローコントローラ１３の出力信号の変化よりクリーニングの終了を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置の製造に使用される例えば減圧化学気相成長（ＬＰ−ＣＶＤ）装置に係わり、特に、そのクリーニングに関する。

ＬＰ−ＣＶＤ装置は、反応炉としてのチューブの内壁に副生成物が堆積する。この堆積した膜が剥がれた場合、チューブ内にパーティクルが発生し、製品の歩留まりが低下する原因となる。このため、チューブ内に堆積した膜が規定の膜厚に達した場合、定期的にチューブをクリーニングし、チューブが清浄に維持されている。

従来、反応室のクリーニングに関する技術として、チャンバ壁に高周波電源を印加した状態において電圧をモニタし、制御手段により電圧効果曲線の傾きを演算し、傾きの値が所定値に到達した段階で、制御手段により高周波電源を切断し、マスフローコントローラでクリーニングガスを遮断する方法がある（例えば特許文献１参照）。あるいは、ＣＶＤ装置のプラズマ洗浄を用いた方法がある（例えば特許文献２参照）。

その他のチューブのクリーニング方法としては、例えば洗浄液を用いたウェット洗浄や、ガスを用いたガスクリーニング方法がある。しかし、ウェット洗浄は、装置の分解、洗浄、再組み立て、条件確認という工程を必要とする。このため、チューブのクリーニングに時間がかかり、装置の処理稼動率の低下を招いていた。

また、例えばＣｌＦ_３、Ｆ_２、ＨＦなどのガスを用いたガスクリーニング方法は、装置の分解、再組み立ての必要がないため、処理稼動率の低下を防止できるとともに、ウェット洗浄により取れ難い膜もエッチングできる利点を有している。しかし、堆積膜のエッチング状況は、テスト工程を実行することにより確認する必要がある。すなわち、テスト工程おいて、堆積膜を規定時間エッチングして得たエッチング量の情報から、堆積膜のエッチング時間が決定される。また、目視確認により判断できる膜については、目視による確認も行われる。これらテスト工程や目視確認は、膜の組成条件や、エッチング前の累積膜厚が変わると、その都度行なう必要があり、煩雑であった。

さらに、チャンバ内にクリーニングガスを導入し、チャンバから排出される堆積膜の分解ガスをモニタする方法も提案されている。しかし、この方法は、分解ガスをモニタするために高価な分析装置を設ける必要がある。しかも、この分析装置は、応答速度が遅いため、クリーニングの終点検出に遅延を有している。このため、特に、薄膜のクリーニングにおいては、堆積膜の除去後もクリーニングが継続され、チャンバもエッチングの影響を受けるという問題があり、生産設備としては不適当であった。

また、エッチング時の反応熱をチャンバ内に取付けた熱電対でモニタすることによりエッチングの終点を検知する方法があり、この方法を堆積膜のクリーニングに利用することも提案されている。しかし、ポリシリコン膜を除き、ＴＥＯＳ系の膜やシリコン窒化膜は反応熱がないため、この方法は、特定の膜にしか利用できなかった。

上記のように、従来のガスクリーニング方法は、クリーニングの終点を適確に検出することが困難であった。
特開２００２−１５１４１７号公報 特開平１１−７４２５８号公報

本発明は、クリーニングの終点を適確に検出することが可能な気相成長装置とそれを用いた半導体装置の製造方法を提供しようとするものである。

本発明の気相成長装置の態様は、反応炉の排気経路に接続されたマスフローコントローラと、前記反応炉のクリーニング時、前記マスフローコントローラの出力信号の変化よりクリーニングの終了を検出する制御部とを具備することを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法は、反応炉のクリーニングを開始し、前記反応炉の排気経路に接続されたマスフローコントローラの出力信号の変化よりクリーニングの終了を検出して、クリーニングを終了する工程と、規定のクリーニング回数に達しているか判定する工程と、前記規定のクリーニング回数に達していない場合、前記反応炉内に載置された基板に処理を行う工程とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、クリーニングの終点を適確に検出することが可能な気相成長装置とそれを用いた半導体装置の製造方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態に係る気相成長装置を概略的に示している。反応炉１は、例えば石英で構成されたインナーチューブ２とアウターチューブ３により形成されている。アウターチューブ２の周囲にはヒーター４が配置されている。反応炉１の下部にマニホールド５が設けられ、マニホールド５に炉口キャップ７が取着されている。キャップ７の中央部には回転機構８が設けられ、この回転機構８にリンクされた保温筒９の上にボートが設けられる。ボート上には複数のウェハが搭載される。反応炉１内は、ヒーター４により所定の温度に加熱される。

マニホールド５は、複数のガスを反応炉１内にそれぞれ導入するための複数のポート５−１、反応炉１内のガスを排気するための排気経路としての排気系配管６、及び真空ゲージ２８が設けられている。排気系配管６にはトラップ１０、メインバルブ１１、及び図示せぬ真空排気ポンプが設けられている。さらに、排気系配管６の分岐路６−１にはサブバルブ１２が設けられ、サブバルブ１２の下流には、例えばマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１３が設けられている。制御部３０は、気相成長装置の全体的な動作を制御するものである。この制御部３０の動作については後述する。

インナーチューブ２、アウターチューブ３には、ウェハのプロセスに応じて、ポリシリコンや、窒化シリコンが堆積され、堆積膜１４が形成される。この堆積膜１４が規定累積膜厚に達した場合、反応炉１がガスクリーニングされる。

ガスクリーニングは、ヒーター４により加熱された反応炉１内に、例えばＣｌＦ_３、ＨＦ、Ｆ_２などのエッチングソースと、Ｎ_２を混合してマニホールド５のポート５−１、から導入する。反応炉１内では、導入されたガスと堆積膜１４が反応し、インナーチューブ２からアウターチューブ３に向かってエッチングが進む。導入されたガス、及び堆積膜１４の分解により発生した副生成ガスは、排気系配管６を介して真空ポンプにより排出される。この排気系配管６の分岐路６−１に設けられたマスフローコントローラ１３により流量が計測される。

図３は、マスフローコントローラ１３の一例を概略的に示している。このマスフローコントローラ１３は、例えばガスが導入されるインレットポート１５、層流素子バイパス１６、毛細流量センサ部１７、センサコイル１８、センサコイル１８に接続されたブリッジ回路１９、ブリッジ回路１９に接続された増幅回路２０、増幅回路２０に接続され、出力信号を出力する補正回路２１、補正回路２１に出力信号と設定された流量に対応する信号とを比較する比較回路２２、この比較回路２２の出力信号が供給されるバルブ制御回路２３、このバルブ制御回路２３により駆動されるバルブ２４、バルブ２４により流量が制御されたガスが出力されるアウトレットポート２５を有している。前記補正回路２１及び比較回路２２は制御部３０に接続されている。

上記構成において、ガスはインレット１５から導入され、バイパス１６側と流量センサ部１７側に分流される。コイル１８は、分流された気体が流れることにより生ずる温度差に応じて電流を発生し、この電流がブリッジ回路１９で電圧として検出される。検出された電圧は増幅回路２０、補正回路２１を介して制御部３０に供給されるとともに、比較回路２２において、制御部３０から供給される設定流量（電圧値）と比較される。比較回路２２の出力信号はバルブ制御回路２３に供給され、バルブ２４によりアウトレット２５から出力されるガスが所定流量に制御される。

図４は、流量センサ部１７の出力を示している。図４に示すように流量センサ１７の温度変化は、ガスが流れていない場合と流れている場合において、温度分布のピークがシフトする。通常、最大にシフトした量が最大流量としてスケールが決まる。マスフローコントローラ１３は、ブリッジ回路１９で検出したシフト量を平衡状態に戻すように補正量を定め、この補正量と制御部３０から供給される設定流量とを比較してバルブ２４にフィードバックをかける。

制御部３０は、反応炉１のクリーニングの制御も行なう。すなわち、クリーニング開始時、反応炉１内にクリーニングガスを供給し、マスフローコントローラ１３の出力信号が基準値とほぼ等しくなった場合、クリーニングガスの供給を停止し、クリーニングを終了させる。

尚、上記マスフローコントローラ１３に替えて、例えばマスフローメータを用いることも可能である。マスフローメータは、マスフローコントローラ１３からバルブ制御回路２３とバルブ２４を除いた構成であり、気体の流量のみを知ることができる。以下においては、マスフローコントローラ１３を用いた場合について説明するが、マスフローメータを用いた場合も同様である。

一般に、マスフローコントローラは、反応炉に対して上流のガス供給部に設置して使われる。マスフローコントローラの温度分布は、単体で使用されるガスの種類に応じて予め知られている。また、Ｎ_２等のベースガスにより希釈された二種混合ガスの場合も、混合比率が特殊な場合を除き、マスフローコントローラの温度分布は、既知であることが前提である。

これに対して、第１の実施形態において、マスフローコントローラ１３は、ポート５−１の上流のガス供給部に設置されるのではなく、排気系配管６の分岐路６−１に設けられている。エッチングソースとしての導入ガスの温度分布は既知であるが、反応炉１内で堆積膜１４が分解されて発生する副生成ガスは様々なガスを含んでいる。この副生成ガスがマスフローコントローラ１３を通過すると、マスフローコントローラ１３は、副生成ガスに関する温度分布の既定条件が無いため、特異な信号を出力する。

図１（ａ）乃至（ｄ）は、第１の実施形態の原理を示している。図１（ａ）において、基準設定工程は、図１（ｄ）に示すように、反応炉としてのインナーチューブ２、及びアウターチューブ３に堆積膜１４が無い状態において、図１（ｂ）に示すクリーニングガスとしてのエッチングソースガスＡ，Ｂが導入された時のセンサ出力を示している。この場合、排出ガスとして、図１（ｃ）に示すようなガスが出力される。このチューブ２，３内に堆積膜１４が無い状態におけるセンサ出力（マスフローコントローラ１３の出力信号）が、基準値として制御部３０に記憶される。この基準設定工程は、例えばチューブ２，３が組み立てられた直後などに実施される。

図１（ａ）において、エッチング工程は、反応炉１のクリーニング工程を示している。クリーニング工程におけるセンサ出力は、図１（ｄ）に示すように、チューブ２，３上に堆積膜１４が有る状態において、図１（ｂ）に示すエッチングソースガスＡ、Ｂが導入された時のマスフローコントローラ１３の出力信号を示している。この場合、排出ガスとして、図１（ｃ）に示すようなガスが出力される。チューブ２，３内の堆積膜１４がエッチングされる時、図１（ｃ）にＤ、Ｅ、Ｆで示すように、複数の副生成ガスが発生する。マスフローコントローラ１３は、この副生成ガスの温度分布の規定条件が無いため、センサ出力は図１（ａ）に示すように、特異な信号となる。

この後、図１（ｄ）に示すように、反応炉１内の堆積膜１４が除去されると、排出ガスは、図１（ｃ）に示すようなガスとなる。この場合、図１（ａ）のエッチング終了工程に示すように、センサ出力は、基準設定工程におけるセンサ出力とほぼ等しくなる。この状態をエッチングの終点、すなわちクリーニング終了とする。

上記のように、エッチング工程においてセンサ出力は特異な信号である、エッチングが終了すると、センサ出力は一定の値となる。このセンサ出力の変化の様子を検出することにより、チューブ２，３のガスクリーニングの終点を検出することが可能となり、ｉｎ−Ｓｉｔｕモニタが可能となる。

図５は、制御部３０の具体的な処理の流れを示している。

先ず、基準設定工程が行なわれる（Ｓ１）。例えばチューブを組み立てた後などのチューブ２，３に堆積膜１４が形成されていない状態において、反応炉１内にクリーニングガスが導入される。この状態におけるマスフローコントローラ１３の出力信号より基準値が設定される。この後、所定のウェハプロセスが実行される（Ｓ２）。ウェハプロセスが繰り返され、チューブ２，３に堆積された堆積膜１４が規定の累積膜厚に達した場合、反応炉１のクリーニング工程が実行される（Ｓ３）。すなわち、反応炉１内にクリーニングガスが導入され、チューブ２，３のクリーニングが開始される。クリーニング工程中、マスフローコントローラ１３の出力信号が制御部３０によりモニタされ（Ｓ４）、マスフローコントローラ１３の出力信号が特異な変化を示している間は、クリーニングが継続される。一方、マスフローコントローラ１３の出力信号が一定値を示す状態となり、基準値にほぼ等しくなった場合、クリーニングが終了される。

この後、クリーニング回数が判別され（Ｓ５）、クリーニング回数が規定値未満である場合、制御がステップＳ２に移行され、所定のウェハプロセスが繰り返される。また、クリーニング回数が規定値以上である場合。例えばチューブ２，３が分解され、薬液を用いて洗浄される（Ｓ６）。洗浄が終了し、チューブ２，３が組み立てられた状態において、前記ステップＳ１において、基準値が新たに設定される。

上記第１の実施形態によれば、反応炉１の排気系配管６にマスフローコントローラ１３を接続し、反応炉１のガスクリーニング時、マスフローコントローラ１３の出力信号をモニタし、特異な変動を伴う不安定状態から安定状態に変化し、この安定状態において、マスフローコントローラ１３の出力信号が予め設定した基準値とほぼ等しくなった場合、クリーニングを終了させている。このため、従来の高価な分析装置に比べて安価なマスフローコントローラ１３を用いて正確にクリーニングの終点を検出することができる。

しかも、マスフローコントローラ１３は応答速度が速いため、クリーニングの終点を迅速に検出することができる。このため、クリーニングに伴うチューブ２，３のダメージを軽減できる利点を有している。

また、マスフローコントローラ１３は、高濃度のガスが流入してもセンサとしての使用条件での劣化問題がない。

さらに、ヒーター搭載タイプのマスフローコントローラを使用した場合、発熱反応を伴わない膜、例えばＴＥＯＳ系の膜や、窒化膜のクリーニングにも利用可能であり、種々の堆積膜のクリーニングに利用可能である。

尚、上記第１の実施形態は、反応炉のガスクリーニングについて説明したが、これに限らず、例えばウェハプロセス時における反応炉内の残ガスモニタや、反応炉の真空引き到達時の脱ガス検知にも適用可能である。

また、上記マスフローコントローラ１３の仕様をアナログモデルから、デジタルモデルに変更した場合、ガスの混合比や、フルスケールをマスフローコントローラ１３に記憶させることが可能である。このため、エッチングソースを同一装置内で変えたり、組み合わせてクリーニングを行なう場合、クリーニングの終了を高精度に検出することができる。

（第２の実施形態）
気相成長装置は、チューブの内壁面に堆積される膜以外に、排気系配管にも副生成物が堆積することが良く知られている。ガスクリーニング機構を具備する気相成長装置の場合、チューブを分解して薬液により洗浄するメンテナンスの頻度は必然的に少なくなる。しかし、排気系配管内の副生成物は、例えばパーティクルの要因になるため、除去することが望ましい。排気系配管内の堆積膜は、反応炉内の堆積膜のように、膜の組成が安定ではなく、反応炉内のクリーニングガスで除去できない場合がある。この場合、クリーニングガス種を変えてエッチングを実施する必要がある。

図６は、第２の実施形態を示すものであり、排気系配管６をクリーニングする場合を示している。図６において、図２と同一部分には同一符号を付している。図６において、排気系配管６のマニホールド５近傍には、排気系専用のクリーニングガスを導入するポート３１が設けられ、このポート３１から排気系配管６にクリーニングガスとして例えばＨＦ＋Ｎ_２が導入される。

この構成において、制御部３０は、排気系配管６に堆積膜２７が無い状態でエッチングした場合におけるマスフローコントローラ１３の出力信号から基準値を求め、クリーニング時にマスフローコントローラ１３の出力信号の変動の変化を第１の実施形態と同様に検出することにより、排気系配管６のクリーニングの終了を検出することができる。

上記第２の実施形態によれば、排気系配管６のガスクリーニングを高精度に行なうことが可能である。

また、チューブ２，３内のクリーニングと排気系配管６のクリーニングを同時に行うことも可能である。この場合、クリーニングガスがチューブ２，３内と排気系配管６の２種になるため、上記デジタルモデルのマスフローコントローラと組み合わせれば高いクリーニング効果を得ることができる。

尚、上記第１、第２の実施形態は、組成が明確ではない未知ガスの有無をマスフローコントローラ１３によって検出することにより、チューブ及び排気系配管をクリーニングする場合について説明した。しかし、第１、第２の実施形態の終点検出機能を他の機能として利用することも可能である。

例えば気相成長装置の真空度の管理は、例えばバラトロンゲージなどの圧力モニタを用いて行っている。しかし、第１、第２の実施形態を利用して気相成長装置の真空度を管理することが可能である。反応炉内の真空引きにおいて、到達圧力の遅延は、例えばＴＥＯＳ系膜で顕著な脱ガス（degas）の発生による要因などがある。第１、第２の実施形態において、マスフローコントローラ１３は、未知のガスが存在する状態において、その出力信号が特異に変動する。このため、この変動の有無をモニタすることにより、脱ガスモニタとして利用可能である。つまり、マスフローコントローラ１３の出力信号が一定値となった状態において、脱ガスが除去されたことを検知することができる。

あるいは、ウェハプロセスにおいて、膜生成用のガス導入を止めた直後からの炉内の残ガスモニタや、異種のガスを交互に流して膜を形成するシーケンシャルデポジション時において、ガスの導入切替えタイミングを検出する場合にも第１、第２の実施形態を利用することができる。この場合、第１、第２の実施形態の終点検出機能は高速であるため、装置の稼動効率を改善することが可能である。

その他、本発明は、第１、第２の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変えない範囲において種々変形実施可能なことは勿論である。

図１（ａ）乃至（ｄ）は、第１の実施形態の原理を示す図。 第１の実施形態に係る気相成長装置を概略的に示す構成図。 図２に示すマスフローコントローラの一例を概略的に示す図。 図３に示す毛細流量センサ部の出力特性を示す図。 クリーニング工程を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る気相成長装置を概略的に示す構成図。

符号の説明

１…反応炉、２…インナーチューブ、３…アウターチューブ、６…排気系配管（排気経路）、１３…マスフローコントローラ（マスフローメータ）、３０…制御部、３１…ポート。

Claims (5)

1. 反応炉の排気経路に接続されたマスフローコントローラと、
   前記反応炉のクリーニング時、前記マスフローコントローラの出力信号の変化よりクリーニングの終了を検出する制御部と
   を具備することを特徴とする気相成長装置。
2. 前記制御部は、前記反応炉に堆積膜が無い状態において、前記反応炉にクリーニングガスを導入した場合における前記マスフローコントローラの出力信号を基準値として記憶することを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記制御部は、クリーニング時、前記マスフローコントローラの出力信号が前記基準値とほぼ等しくなった場合、クリーニングを終了させることを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
4. 前記排気経路は、クリーニングガスの導入部を有することを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
5. 反応炉のクリーニングを開始し、前記反応炉の排気経路に接続されたマスフローコントローラの出力信号の変化よりクリーニングの終了を検出して、クリーニングを終了する工程と、
   規定のクリーニング回数に達しているか判定する工程と、
   前記規定のクリーニング回数に達していない場合、前記反応炉内に載置された基板に処理を行う工程と
   を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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