JP2008117987A - 減圧ｃｖｄ装置およびそのクリーンニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＢＴＢＡＳ（ビス３級ブチルアミノシラン）ベースの窒化膜（ＢＴＮ）の剥離を抑えるため、反応管の石英と同じＳｉＯ₂からなる酸化膜（ＢＴＯ）をプリコート膜として反応管上に形成していても、堆積膜を除去するためのガスクリーニングの終点を適当に定め、総膜厚を抑えることのできる減圧ＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】本発明は、プリコート膜成膜後の１バッチ目のモニタ・ウェーハの窒化膜の堆積時間と膜厚を用いて、ＢＴＮ膜の成膜レートを算出する手段と、その成膜レートによりプリコート膜のＢＴＮ膜の膜厚を算出する手段と、そのＢＴＮ膜の膜厚及びＢＴＯ／ＢＴＮ成膜比よりＢＴＯ膜の膜厚を算出する手段と、プリコート膜の膜厚及び成膜プロセス処理毎の累積膜厚より総膜厚を算出する手段と、ＢＴＮ膜単体のガスクリーニングの終点を検出する手段と、総膜厚と検出した終点にしたがって、ガスクリーニングを実施する手段とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体製品製造工程における製品不良削減および半導体製品製造設備の稼働効率向上に関するものである。詳しくは、シリコン窒化膜形成工程において、主に石英を使う反応管上に堆積したシリコン窒化膜およびシリコン酸化膜をクリーニングする減圧ＣＶＤ装置およびそのクリーンニング方法に関するものである。

近年、減圧ＣＶＤ装置によるシリコン窒化膜成長方法に、ビス（３級ブチルアミノ）シラン＝ＳｉＨ₂［ＮＨ（Ｃ₄Ｈ₉）］₂（以降ＢＴＢＡＳ）が使用される機会が増えている。ＢＴＢＡＳを用いる場合、６００℃以下の反応温度でシリコン窒化膜を形成することが出来る。このため、従来のシラン系、主にジクロールシラン（ＤＣＳ＝ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）を用いる７００℃以上の高温成膜プロセスに代わり、サーマル・バジェットを抑える目的で、主として配線パターンルールが１００ｎｍ以下になる２００ｍｍおよび３００ｍｍウェーハ・プロセスで使用されている。

ＢＴＢＡＳベースのシリコン窒化膜（以降ＢＴＢＡＳベースのシリコン窒化膜を意識的に指す場合はＢＴＮ膜）は従来のＤＣＳベースのシリコン窒化膜と較べて引っ張りストレスが高くなるため、主に石英を用いる反応管の壁面から剥離しやすい。ＤＣＳベースでは２０μｍ以上累積堆積が可能であったものが、ウェーハ口径２００ｍｍプロセスでは約０．３μｍの膜厚で膜剥離が発生し、石英反応管の曲率がより小さくなる３００ｍｍプロセスでは更に５０ｎｍから１００ｎｍ程度薄い膜厚で膜剥離が発生することが知られている。反応管表面からの膜剥離はパーティクルの発生要因となる。

このパーティクル発生は、堆積したシリコン窒化膜を反応管から除去する膜剥離再生プロセスを行うことで抑えられる。シリコン窒化膜の膜剥離が比較的薄い膜厚で発生すると、フッ化水素酸（ＨＦ）ベースの薬液を用いたウエットエッチングにより堆積膜除去を行うことが事実上困難となる。このため、ＢＴＢＡＳを用いるシリコン窒化膜成長方法では、主に三フッ化窒素（ＮＦ₃）ガスを熱分解して得られたフッ素ラジカルを用いたガスクリーニングに依る石英反応管からの膜剥離再生プロセスが用いられている。ガスクリーニングの終点は、ＦＴＩＲ（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）や、ＱＭＳ（Quadrupole mass spectrometry）を用いて反応生成ガスの成分を測定することにより検出することができる（例えば特許文献１および非特許文献１参照）。
特開２０００−２００７８２号公報 Derrick Foster, Jim Ellenberger and Robert Herring, ASML. Andrew Johnson and Christopher Hartz, Air Products and Chemicals, Inc., "In-Situ Process for Periodic Cleaning of Low Temperature Nitride Furnaces", ECS Conference, 10-14-2003

しかしながら、ＢＴＢＡＳベースの成膜プロセスでは、石英反応管上に堆積する窒化膜の総膜厚が従来のＤＣＳベースの成膜プロセスに対して１００分の１程度と非常に薄くなり、堆積した窒化膜を除去する精度が求められる上、窒化膜剥離を抑えるのにプリコート膜を用いると、ガスクリーニングの終点検出が難しくなる。

図１に示すように、ＢＴＢＡＳベースの成膜プロセスでは、窒化膜剥離を抑えるため石英反応管１と成膜プロセスによって堆積されるＢＴＮ膜２の間にプリコート膜３を形成することができる。このプリコート膜３は、石英反応管１表面に形成されたＢＴＢＡＳベースの酸化膜（以降ＢＴＯ膜）４と成膜プロセスで堆積するものよりも若干薄いＢＴＮ膜５とを含む。ＢＴＯ膜４は、成膜プロセスの繰り返しで堆積するＢＴＮ膜２と石英反応間１の間で生じる引っ張りストレスの緩衝材として用いられる。プリコート膜３のＢＴＮ膜５は、成膜プロセスで成膜するＢＴＮ膜２との密着性をよくする目的で形成されている。ＢＴＮ膜が一定の膜厚を越えるとストレス性の膜剥離を発生させてパーティクルの原因になることはＢＴＯ膜の有無に関わらず発生するが、ＢＴＯ膜を石英表面との密着／緩衝材として用いることで、図２に示すように換算総膜厚が１μｍに達するまでは、パーティクル発生が抑えられることが実際の生産プロセスの結果から導き出されている。換算総膜厚は、ＢＴＮ膜とエッチレート比でＢＴＮ膜の膜厚に換算したＢＴＯ膜との総膜厚である。このようにプリコート膜を用いることで膜剥離の生じる膜厚が緩和される。

もっとも、上記に示すようなＢＴＯ膜をストレス緩衝材として用いる場合、ＢＴＯ膜の分子構造が石英と同じＳｉＯ₂になってしまう。特許文献１に記載されているように、終点検出が容易なプラズマＣＶＤ装置などでの事例はあっても、熱反応を用いる減圧ＣＶＤ装置では、非特許文献１に示すように反応管と堆積する膜が異なる場合のみ終点の検出が可能である。ＮＦ₃ガスでエッチングするとき、図３に示すように、反応生成ガスのガス分圧からＢＴＮ膜のエッチング終点は検出できても、同図３の破線で囲んだ部分に示すように、ＢＴＯ膜と石英反応管の界面は特定できない。分子構造が同じＢＴＯ膜と石英では、ＢＴＯのエッチングによって発生するガスのガス分圧と石英をエッチングすることによって発生するガスのガス分圧の境界がわからず、分離することが出来ないためである。その結果、ＱＭＳのようなガス分圧測定器を終点検出器として使用することは事実上困難となる。

膜剥離を避けるため全体の総膜厚を制御するには、常にガスクリーニングによる堆積膜剥離を石英反応管との界面ぎりぎりまで行う必要がある。成膜レートの変動や要求膜厚のプロセスが混在するために、堆積膜のガスクリーニングが不足したり過剰に行われたりすると、パーティクル発生トラブルを頻発させてしまうためである。

ガスクリーニングの終点検出ができないなどの理由で、固定のエッチング時間を用いると、要求膜厚の異なるプロセスが混在したり、条件変更などの外的要因で成膜レートが変動したりする場合などで、目的とする石英反応管界面ぎりぎりまでのエッチングが困難となってしまう。

また、先に述べたように、プリコート膜を形成していても、ＢＴＮ換算の総膜厚で１μｍを越えると膜ストレスに依る膜剥離を起こしパーティクルを発生させる。さらに、過剰にエッチングを行った場合、石英反応管の表面の粗度が増し、未分解のＮＦ₃を吸着したままＢＴＯ／ＢＴＮ膜のプリコート処理が行われてしまう。成膜プロセス中に吸着したＮＦ₃によって密着が阻害されると、石英反応管とプリコート膜の界面からプリコート膜自体を剥離脱落させるので、図４に示すようにオーバエッチ量とは無関係にパーティクルを発生させることとなり、こちらも大きな問題となっている。

このため、常に石英反応管表面ぎりぎりまでプリコート膜を含めた堆積膜を剥離し、その状態を精度良く繰り返す事が可能な技術が求められている。

本発明の一態様によれば、ＢＴＢＡＳを用いてシリコン窒化膜を形成するための減圧ＣＶＤ装置の反応管に形成したＢＴＯ膜及びＢＴＮ膜を含むプリコート膜と、当該プリコート膜上に堆積したＢＴＮ膜とをガスクリーニングする減圧ＣＶＤ装置のクリーニング方法であって、
前記プリコート膜成膜後の１バッチ目のモニタ・ウェーハの窒化膜の堆積時間と膜厚を用いて、ＢＴＮ膜の成膜レートを算出する工程（ａ）と、前記工程（ａ）により求めた成膜レートにより、前記プリコート膜のＢＴＮ膜の膜厚を算出する工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）で算出したＢＴＮの膜厚及びＢＴＯ／ＢＴＮ成膜比より前記ＢＴＯ膜の膜厚を算出する工程（ｃ）と、前記プリコート膜のＢＴＮ膜の膜厚、前記ＢＴＯ膜の膜厚、及び成膜プロセス処理毎の累積膜厚より総膜厚を算出する工程（ｄ）と、ＢＴＮ膜単体のガスクリーニングの終点を検出する工程（ｅ）と、前記工程（ｄ）で算出した総膜厚と前記工程（ｅ）で検出した終点にしたがって、ガスクリーニングを実施する工程（ｆ）とを有することを特徴とする減圧ＣＶＤ装置のクリーンニング方法を提供する。

本発明の他の態様によれば、ＢＴＢＡＳを用いてシリコン窒化膜を形成する工程において、その反応管に形成したＢＴＯ膜及びＢＴＮ膜を含むプリコート膜と、当該プリコート膜上に堆積したＢＴＮ膜とをガスクリーニングする減圧ＣＶＤ装置であって、前記プリコート膜成膜後の１バッチ目のモニタ・ウェーハの窒化膜の堆積時間と膜厚を用いて、ＢＴＮ膜の成膜レートを算出する手段と、前記算出した成膜レートにより、前記プリコート膜の前記ＢＴＮ膜の膜厚を算出する手段と、前記算出したＢＴＮの膜厚及びＢＴＯ／ＢＴＮ成膜比より前記ＢＴＯ膜の膜厚を算出する手段と、前記プリコート膜のＢＴＮ膜の膜厚、前記ＢＴＯ膜の膜厚、及び成膜プロセス処理毎の累積膜厚より総膜厚を算出する手段と、ＢＴＮ膜単体のガスクリーニングの終点を検出する手段と、前記算出した総膜厚と前記検出した終点にしたがって、ガスクリーニングを実施する手段とを有することを特徴とする減圧ＣＶＤ装置を提供する。

プリコート膜を含めた石英反応管および石英ボート上の堆積膜厚を管理し、その結果に基づいてガスクリーニングを行うことにより、石英反応管および石英ボートからの膜ストレス起因の膜剥離もしくは吸着したクリーニングガスのデガス起因の膜剥離を抑制することで、半導体装置の欠陥につながるパーティクル発生を抑制することによる、歩留向上が得られる。

また、ガスクリーニングをある程度繰り返したあとに実施する石英反応管および石英ボートの交換もパーティクル増加を目安にサイクルを決定し実施しているため、パーティクル発生を抑制する事により、延長する事が可能となるため、メンテナンスによるダウンタイムの比率を抑制できるため、全体の可稼働時間の向上が可能となる。

これらの効果から装置単体での生産性向上が可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図５に示すように、本実施の形態における減圧ＣＶＤ装置１１は、シリコン窒化膜の終点を検出するためにＦＴＩＲなどのガス分圧測定器１５を付帯機器として備えている。また減圧ＣＶＤ装置１１の制御装置１４には、ネットッワーク通信回線１０を通じて、データ処理部が接続されている。このデータ処理部には、成膜処理時のモニタ・ウェーハの膜厚と成膜レシピの成膜時間から処理毎の成膜レートを算出する演算部２２を持つ装置エンジニアリング・システム（Equipment Engineering System = EES）１８を用いることができる。成膜時の膜厚データは、膜厚測定器か、膜厚測定器で収集されたデータを用いてＳＰＣ管理（Statistical Process Control）などを行うためのデータベース２０のいずれかから得ることができる。減圧ＣＶＤ装置１１の制御装置１４は、シリコン窒化膜の成膜プロセスを制御するほか、上述のように得られたデータに基づいて、減圧ＣＶＤ装置１１のガスクリーニングを制御する。

本発明における減圧ＣＶＤ装置は、ＥＥＳ１８の演算部２２やガス分圧測定器１５を含めて言うものである。演算部２２は、上述のようにプリコート膜に含まれるＢＴＯ膜の膜厚を計算し、それにしたがってエッチング終点時間を算出する。

求めるエッチング終点時間をte、ＢＴＮ膜の終点時間をｔBTNe、ＢＴＮ膜によるプリコート膜の膜厚をTBTN、ＢＴＯ膜によるプリコート膜の膜厚をTBTO、成膜プロセス処理時のＢＴＮ膜の膜厚をTP1〜TPnとすると、ＢＴＯ膜のエッチングレートがＢＴＮ膜の５０％であることが知られていることから、ｎ回成膜プロセス処理を行った場合のエッチング終点時間ｔeは以下の計算式（１）にて求められる。

ｔe＝RT×ｔBTNe （１）
ただし、RT＝((TP1＋・・・＋TPn)＋TBTN＋２TBTO)／((TP1＋・・・＋TPn)＋TBTN)
成膜プロセスによるＢＴＮ膜とプリコート膜のＢＴＮ膜を合わせたＢＴＮ膜の終点時間tBTNeは、ガス分圧測定器１５の測定データから検出が可能である。しかしながら、ここに未知数として存在するプリコート膜のＢＴＮ膜とＢＴＯ膜の膜厚は、ガス分圧測定器１５を用いて測定困難であり求める必要がある。ここで、プリコート膜の膜厚は、一般的に実際に石英反応管上で成長した膜厚ではなく、同一条件でウェーハ上に成膜した場合にウェーハ上に成膜させると考えられる仮想の膜厚を用いる（以降、仮想とは言及しない）。

ＢＴＮ膜のプリコート膜厚を求めるには、プリコート膜を形成しない状態でガスクリーニングを行い、その結果得られた終点時間を基に、プリコート膜を形成した状態でのガスクリーニングで得られた終点時間の差分から求める方法が最も正確であると考えられる。しかしながら、減圧ＣＶＤ装置の運用特性上毎回実施することは現実的ではない。

このため、簡便な方法として、プリコート処理の直後に行われた成膜プロセス処理時の成膜レートのデータを用いて、プリコート膜の膜厚を算出する方法を用いる。成膜レートは図６に示すように絶えず変動するが、変動幅はプリコート膜厚の推定には充分な範囲である。

この成膜レートを用いてプリコート膜のＢＴＮ膜の膜厚を求め、理想条件での目標膜厚との差分の比が導き出されるため、その比を用いてＢＴＮ膜を連続成膜する前に成膜を行うＢＴＯ膜の膜厚を算出することができる。

ガス分圧測定器１５によるＢＴＮ膜の終点時間のデータが２回以上に蓄積されれば、ガスクリーニング毎のＢＴＮ膜の終点データ時間を用いて、ウェーハ・プロセスでの成膜時の総堆積膜厚の差を基に以下の式（２）にてプリコートのＢＴＮ膜の膜厚を求めることが可能となる。膜厚測定器の誤差等を考慮すると、できれば成膜プロセス処理の処理回数の異なるデータを含む数回分のデータを用いるのが望ましい。

ここで、計算する基点側の成膜プロセスの総膜厚をT1、ガス分圧測定器による終点時間をｔ1とし、比較する側の成膜プロセスの総膜厚をTn、ガス分圧測定器による終点時間をｔnとする。プリコート膜のＢＴＮ膜の膜厚はある程度のばらつきが予測されるが、外的変動要因が無ければ充分に無視できると仮定して、TBTNとする。

TBTN＝(Tn×ｔ1／ｔn−T1)／(１−ｔ1／ｔn) （２）
更に、この式（２）の算出方法より求めたプリコート膜のＢＴＮ膜の膜厚を基に、式（１）の計算結果を統計的に分析し、成膜時間および終点時間に補正をかける方法が望ましい。

また、ＢＴＮ膜の終点検出に用いるガス分圧測定器１５を用いて成膜中のガス分圧をモニタし、成膜時のガス消費量を求め、成膜処理毎の変動を算出することが可能であれば、上記結果に更に補正に追加することが可能となるため、更に正確なプリコート膜のＢＴＮ膜厚を求める事が可能となる。

プリコート膜のＢＴＯ膜に関しては、プリコート膜成膜時にＢＴＯ膜とＢＴＮ膜を同一処理で連続して成膜するため、バッチ間の成膜レート変動のような変動要因は非常に小さいと考えられる。このため、次式（３）のように、プリコート膜のＢＴＮ膜の膜厚算出結果、プリコート膜成膜時のＢＴＯ膜とＢＴＮ膜の成膜時間、および一般的なＢＴＯ膜とＢＴＮ膜の成膜レート比（７：１）を用いて膜厚TBTOを求める。

TBTO＝７×TBTN×ｔBTOd／ｔBTNd （３）
ここで、ｔBTOdはプリコート時のＢＴＯ膜の成膜時間、ｔBTNdはプリコート時のＢＴＮ膜の成膜時間とする。

また、ＢＴＮ換算の膜厚が１μｍを超えると堆積膜のストレス起因の膜剥離が発生しやすくなるため、以下の計算式（４）による総膜厚管理を行う必要がある。

Tχ＝Tr＋２TBTO＋TBTN＋TP1＋・・・＋TPn （４）
ここで、Tχは総膜厚、Trは前回ガスクリーニング時に算出された残膜の膜厚とし、値が負の場合は無視する。この総膜厚Tχを常に１μｍ以下に抑制するように、式（４）を用いて合計膜厚が１μｍを超える事が予測される場合はＦＤＣ等で警告を発報し、成膜処理の禁止の判断を行う等の手段を選べる状態にすることが望ましい。

この場合、式（１）は次式（５）のように変更される。

ｔe＝Tχ×ｔBTNe／((TP1＋・・・＋TPn)＋TBTN) （５）
これらの方法は、各データを個別に取得して机上の計算することにより、手動で減圧ＣＶＤ装置のガスクリーニング・レシピの変更を行う方法でも運用可能であるが、高度に自動化された生産ラインでは、人間の手動介入は極力抑える必要があるため、包括的な制御システムとして構築する。

以下、より具体的に、本発明の実施の形態に係る減圧ＣＶＤ装置の構成およびガスクリーニングを実施するサイクル間の運用形態を図５の構成図と図７Ａおよび図７Ｂのフローダイヤグラム図に基づいて説明する。

減圧ＣＶＤ装置１１は、石英反応管１３に材料ガスを供給する供給管に、マスフローコントローラ（以降ＭＦＣ）１９およびエアバルブ２４を備えている。ＭＦＣ１９およびエアバルブ２４は、制御装置１４からの制御信号の指令で動作し、ＭＦＣ１９およびエアバルブ２４の動作で材料ガスが石英反応管１３に供給される。また真空排気系に、真空ポンプ１２およびメインバルブ２６を備えている。制御装置１４は真空計２５の真空度データを基にして装置を制御する。その制御装置１４からの制御信号の指令で動作する真空ポンプ１２およびメインバルブ２６の動作で真空度が調整されている。また、排出ガスの有害物質を除去する目的で排気除外装置１６が接続されている。

なお、図５中では省略しているが、減圧ＣＶＤ装置１１は、石英反応管の温度を制御するために熱電対およびヒータ部を備えている。制御装置１４は熱電対からの温度データを基にして装置を制御し、ヒータ部は制御装置１４からの制御信号の指令で動作し、必要とする温度を保っている。

ここでは、減圧ＣＶＤ装置１１が、上述のように付帯設備としてＦＴＩＲに代表されるガス分圧測定器１５を備え、ＥＥＳ１８に代表されるような、装置稼働データをモニタリングしてそのデータを蓄積し解析を行うシステムと、減圧ＣＶＤ装置での成膜プロセスでウェーハ上に成膜したシリコン窒化膜の膜厚を測定した結果をＳＰＣ管理するシステム１７と接続されている構成を持つ。

ＳＰＣ管理を行うシステム（以降ＳＰＣシステム）１７は必要に応じて成膜したシリコン窒化膜上のパーティクル数および膜厚測定データを蓄積し、自システムでＳＰＣ管理を行うとともに測定結果のデータ自体を他の分析システムやデータを必要とする減圧ＣＶＤ装置１１にネットワーク回線１０等を経由して提供する事が可能であることが前提である。

また、ガス分圧測定器１５は除害される前のガス成分を分析する必要があるため排気除害装置１６の前に設置される必要がある。具体的には図５中にあるように常圧に近い真空ポンプ１２と排気除害装置１６の間に設置されることが望ましい。

図７Ａに示すように、減圧ＣＶＤ装置１１で成膜プロセス処理を行うと（１０１）、図５の構成図では省略している膜厚測定器２７にモニタ・ウェーハ膜厚の測定が依頼される（１０２）。膜厚測定器２７で膜厚測定がなされると（１０３）、ＳＰＣシステム１７の膜厚測定データのデータベース２０に膜厚測定結果の報告がなされ（１０４）、登録蓄積される（１０７）。膜厚測定データにはＳＰＣ管理や解析に必要となる処理装置と処理レシピ、ウェーハ自体の管理情報および時刻データ等の付帯情報を持つ。なお、減圧ＣＶＤ装置では一般的に同じモニタ・ウェーハを用いて同時にパーティクル測定を行い、結果がパーティクル測定データベース２１に登録、蓄積され、成膜結果の評価がされるが、パーティクル測定フローは図７中では省略している。

減圧ＣＶＤ装置１１でガスクリーニングを行う際（１０５）、減圧ＣＶＤ１１はクリーニング時間の要求をＥＥＳ１８に対して行うが（１０６）、ＥＥＳ１８はクリーニング時間の算出を行う（１０８）。その算出のため、まずＳＰＣシステム１７の膜厚データベース２０に対して膜厚データの要求を行い（１０９）、膜厚データの返信を受けることにより（１１０）、前回のガスクリーニング後からの成膜プロセス毎の成膜データを全て取得する。

ＥＥＳ１８は過去の蓄積データが充分か否かの判断を行い（１１１）、データが充分でなければ、プリコート処理直後の成膜プロセス処理結果の膜厚データを用いてプリコートＢＴＮ膜厚の算出を行う（１１２）。それによって、前回のガスクリーニング時のプリコート膜厚を算出し、前回のガスクリーニング実施後からの全ての成膜プロセス処理結果の膜厚データと併せ、クリーニングを行うＢＴＮ膜の膜厚とＢＴＯ膜の膜厚をＢＴＮ膜の膜厚に換算した結果も併せて式（４）を用いてＢＴＮ膜換算の総膜厚を算出する（１１４）。

ＥＥＳ１８は求めたＢＴＮ膜換算の総膜厚Ｔχから当該ガスクリーニング時間を、式（５）を用いて計算し装置レシピのクリーニング・ステップの時間を変更し減圧ＣＶＤ装置１１にクリーニング時間を返信し（１１５）、減圧ＣＶＤ装置１１はガスクリーニング時間をクリーニング・ステップに反映し（１１６）、クリーニング処理を実行する。

図７Ｂに示すように、減圧ＣＶＤ装置１１は、クリーニング中のガス分圧を測定する指示をガス分圧測定器１５に行い（１１７）、ガス分圧測定器１５はその指示を減圧ＣＶＤ装置１１から受けて排気ガスのガス分圧をモニタリングし、ＢＴＮ膜の終点検出を行い（１１８）、終点信号の伝達を減圧ＣＶＤ装置１１の制御装置１４に報告する（１１９）。

終点時間を得た制御装置１４はオーバエッチ時間を算出するために、ＥＥＳ１８に終点時間を報告する（１２０）。この場合、ＢＴＮ膜の終点時間は制御装置１４を介さず直接ＥＥＳ１８に報告してもかまわない。

ＥＥＳ１８は自身が算出したＢＴＮ膜の終点時間ｔeとガス分圧測定器から得られたＢＴＮ膜の終点時間を比較し、ＢＴＯ膜を除去するために必要な残時間を計算し（１２１）、結果の過不足時間の伝達を制御装置１４に対して行う（１２２）。

ＥＥＳ１８からＢＴＮ膜の終点時間からの残時間を得た制御装置１４は、必要な場合はオーバエッチ時間を加算したクリーニング終了時間を算出し、終点時間に達したか否かの判断を行い（１２３）、達していない場合はクリーニングを継続し（１２４）、目標時間に到達した時点で減圧ＣＶＤ装置のクリーニングを終了し（１２５）、終了時間をＥＥＳ１８に対して報告し（１２６）、ＥＥＳ１８は結果を処理履歴ＤＢ２３に記録する（１２７）（フィードフォワード制御）。

この場合、減圧ＣＶＤ装置１１の制御装置１４がＥＥＳ１８と同等の演算機能を持つなど制御装置単体でクリーニング終了時間を算出することが可能であれば、ＥＥＳ１８とデータを共有するなどの方法を使って、制御装置上でクリーニング終了時間を算出し、その結果をもってクリーニングを終了してもかまわない。

また、判断（１１１）において、過去の蓄積データが充分であれば、ＥＥＳ１８上で式（２）および式（３）を用いて過去のＢＴＮ膜終点データと成膜レートからプリコートＢＴＮ膜厚の算出を行うことで（１１３）、前回のガスクリーニング時のプリコート膜厚を算出し、前回のガスクリーニング実施後からの全ての成膜プロセス処理結果の膜厚データと併せ、クリーニングを行うＢＴＮ膜の膜厚とＢＴＯ膜の膜厚をＢＴＮ膜の膜厚に換算した結果も併せて式（４）を用いてＢＴＮ膜換算の総膜厚を算出する（１１４）。

ＢＴＮ膜換算の総膜厚が算出できれば、以降は同様にＢＴＮ膜換算の総膜厚Ｔχから当該ガスクリーニング時間を、式（５）を用いて算出し装置レシピのクリーニング・ステップの時間を変更し減圧ＣＶＤ装置１１にクリーニング時間を返信し（１１５）、減圧ＣＶＤ装置１１はガスクリーニング時間をクリーニング・ステップに反映し（１１６）、クリーニング処理を実行する。

なお、ガス分圧測定器１５を減圧ＣＶＤ装置１１内もしくは装置近傍に常時設置できない場合は、メンテナンス等を利用して、リファレンスとなるＢＴＮ膜とＢＴＯ膜の基本膜厚を定期的に算出し、その結果からガスクリーニング比を算出してガスクリーニング毎の目標に対する差異を求めて次のガスクリーニング時に補正をかける方法が考えられる。

この場合、RGCをガスクリーニング比とし、ガスクリーニング比は以下の式（６）から求める。

ＲGC＝ ((TP1＋・・・＋TPn)+TBTN+２TBTO)／(nTP0+TBTN+2TBTO) （６）
ここで、TP0は成膜プロセス処理時の目標膜厚で、ｎは成膜回数である。

このＲGCからガスクリーニング結果の残膜率、オーバエッチ率が算出可能となるため、次のガスクリーニング時に補正を掛け、石英反応管上の残膜もしくは過剰エッチの変動量を最小に補正することが可能となる。

ｔe＝ｔe0×ＲGC （７）
ここで用いるガスクリーニング比ＲGCは当該ガスクリーニング実施時の一回前の算出結果である。

この場合、ｔe0はリファレンスとなるガスクリーニング時間で、プリコート成膜処理から通常の成膜プロセス処理すべてが目標膜厚どおりに成膜が行われた場合が理想的ではあるが、成膜時の膜厚が全て既知であれば、ｔe0とＲGCの掛け算に理想状態に対する補正係数βを掛ける必要があるが、過去の実績から求めた実績値を用いてもかまわない。この場合式（７）は実績時間ｔeχを用いて以下のようになる。

ｔe＝ｔeχ×β×ＲGC （８）
この補正係数βは、目標膜厚と実際に成膜された膜厚の比から求める。

β＝
(TBTN0＋２TBTO0＋ｎTP0)／(TBTNχ＋２TBTOχ＋TPχ1＋・・・＋TPχn) （９）
ここで用いるTBTNχ、TBTOχ、TPχ1・・・TPχnは過去の実績に基づく代表値、TBTN0、TBTO0、TP0はそれぞれプリコート時のＢＴＮ膜およびＢＴＯ膜の目標膜厚、成膜プロセス処理の目標膜厚とする。

また、制御装置１４の制約でレシピ実行中に外部からの制御で処理時間の変更ができない場合も、計算上のＢＴＮ膜の終点時間と実際にガス分圧測定器等のガス分圧測定器で得たＢＴＮ膜の終点時間の差を基に、次回のガスクリーニング処理時に差分の時間短縮もしくは時間延長の補正を掛ける方法（フィードバック制御）を採ればよい。

この場合、次回のガスクリーニング処理時のガスクリーニング・ステップの時間変更は装置上で変更を行う、あるいはＥＥＳからの変更時間指示などで行う事が想定されるが、工場のＦＩＣＳ（Factory Information Control System）系の生産進捗システム（ＭＥＳ＝Manufacturing Execution System）からレシピのバリアブル・パラメータとして指示する形態でもかまわない。

上記のようにクリーニング時間の補正時間を次回のガスクリーニング時にレシピ内のクリーニング・ステップ時間に対して反映させるフィードバック制御を採る場合は、汎用的なＡＰＣ（＝Advanced Process Control）システムを応用する方法も考えられる。

また、成膜時の累積堆積膜厚の上限管理に関しては、クリーニング・ステップの時間制御と同等の高い精度は必要とされないため、ガスクリーニング後に実施されるプリコート処理時の実処理時間を用い、過去の処理実績から推定膜厚を算出し、ガスクリーニング時の残膜の推定膜厚を加算した上に、成膜プロセス処理毎に当該処理時の膜厚測定結果を加算する方法を採ることができる。

以上述べてきたように、本発明に依れば、ＢＴＮ膜およびＢＴＯ膜によって形成されるプリコート膜を精度高く推定することが可能となり、再現性の高いガスクリーニングが実行可能となる。

また、総膜厚の加算結果が１μｍ以下で制御できれば、ガスクリーニング間の成膜プロセス処理回数を増やすことが可能となるため、減圧ＣＶＤ装置の可稼働向上も期待できる。

一般的にＢＴＢＡＳ窒化膜成長の減圧ＣＶＤ装置はガスクリーニングを数十回繰り返した時点で、石英反応管に代表される消耗部材を交換するための大規模なメンテナンスを行うが、通常消耗部材の寿命よりもパーティクル数の増大により、想定期間よりも早期にメンテナンスを行うケースが多い。この点も再現性の高いガスクリーニングを精度良く行うことで、規定通りのサイクルで実施することや、更に延長を行うことが可能となる。

なお、本発明は現在使用されているＢＴＢＡＳを用いたシリコン窒化膜を基に説明しているが、将来ＢＴＢＡＳに代わる材料を用いるシリコン窒化膜あるいはそれ以外の薄膜形成プロセスが開発され、同様に石英反応管とシリコン酸化膜に代表される反応管と同一分子構造の下地膜を形成して膜ストレス差を原因とする膜剥離を防止する構造を採る成膜プロセスが開発された場合にも、本発明が応用可能であることは明らかである。

ＢＴＢＡＳベースの減圧ＣＶＤ窒化膜成長における石英反応管内部の堆積膜構造を示す断面図、およびその部分拡大図 処理回数に基づくＢＴＮ換算の総膜厚とパーティクル増加量の推移を示すトレンド図 ガスクリーニング実施時の排出ガスのガス分圧図 処理回数に基づく石英反応管上の累積オーバエッチ量とパーティクル増加量の推移を示すトレンド図 本発明の実施の形態における減圧ＣＶＤ装置の構成図 ＢＴＢＡＳベースの減圧ＣＶＤ窒化膜成長における処理回数に対する成膜レートの推移を示す図 本発明の実施の形態におけるＢＴＢＡＳベースの減圧ＣＶＤ窒化膜成長装置におけるガスクリーニング実施時の工程フロー図 本発明の実施の形態におけるＢＴＢＡＳベースの減圧ＣＶＤ窒化膜成長装置におけるガスクリーニング実施時の他の工程フロー図

符号の説明

１ 石英反応管
２ ＢＴＮ膜
３ ＢＴＯ膜
１１ 減圧ＣＶＤ装置
１２ 真空ポンプ
１３ 石英反応管
１４ 減圧ＣＶＤ装置の制御装置
１５ ガス分圧測定器
１６ 排気除害装置
１７ ＳＰＣシステム
１８ 装置エンジニアリング・システム
１９ マスフローコントローラ
２０ ＳＰＣシステムの膜厚測定データベース
２１ ＳＰＣシステムのパーティクル測定データベース
２２ 装置エンジニアリング・システムの演算部
２３ 装置エンジニアリング・システムの装置処理履歴データベース
２４ ガス供給エアバルブ
２５ 真空計
２６ メインバルブ
２７ 膜厚測定器

Claims (2)

1. ビス３級ブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）を用いてシリコン窒化膜を形成するための減圧ＣＶＤ装置の反応管に形成したシリコン酸化膜（ＢＴＯ膜）及びシリコン窒化膜（ＢＴＮ膜）を含むプリコート膜と、当該プリコート膜上に堆積したＢＴＮ膜とをガスクリーニングする減圧ＣＶＤ装置のクリーニング方法であって、
   前記プリコート膜成膜後の１バッチ目のモニタ・ウェーハの窒化膜の堆積時間と膜厚を用いて、ＢＴＮ膜の成膜レートを算出する工程（ａ）と、
   前記工程（ａ）により求めた成膜レートにより、前記プリコート膜のＢＴＮ膜の膜厚を算出する工程（ｂ）と、
   前記工程（ｂ）で算出したＢＴＮ膜の膜厚及びＢＴＯ／ＢＴＮ成膜比より前記ＢＴＯ膜の膜厚を算出する工程（ｃ）と、
   前記プリコート膜のＢＴＮ膜の膜厚、前記ＢＴＯ膜の膜厚、及び成膜プロセス処理毎の累積膜厚より総膜厚を算出する工程（ｄ）と、
   ＢＴＮ膜単体のガスクリーニングの終点を検出する工程（ｅ）と、
   前記工程（ｄ）で算出した総膜厚と前記工程（ｅ）で検出した終点にしたがって、ガスクリーニングを実施する工程（ｆ）と
   を有することを特徴とする減圧ＣＶＤ装置のクリーンニング方法。
2. ビス３級ブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）を用いてシリコン窒化膜を形成する工程において、その反応管に形成したシリコン酸化膜（ＢＴＯ膜）及びシリコン窒化膜（ＢＴＮ膜）を含むプリコート膜と、当該プリコート膜上に堆積したＢＴＮ膜とをガスクリーニングする減圧ＣＶＤ装置であって、
   前記プリコート膜成膜後の１バッチ目のモニタ・ウェーハの窒化膜の堆積時間と膜厚を用いて、ＢＴＮ膜の成膜レートを算出する手段と、
   前記算出した成膜レートにより、前記プリコート膜の前記ＢＴＮ膜の膜厚を算出する手段と、
   前記算出したＢＴＮ膜の膜厚及びＢＴＯ／ＢＴＮ成膜比より前記ＢＴＯ膜の膜厚を算出する手段と、
   前記プリコート膜のＢＴＮ膜の膜厚、前記ＢＴＯ膜の膜厚、及び成膜プロセス処理毎の累積膜厚より総膜厚を算出する手段と、
   ＢＴＮ膜単体のガスクリーニングの終点を検出する手段と、
   前記算出した総膜厚と前記検出した終点にしたがって、ガスクリーニングを実施する手段と
   を有することを特徴とする減圧ＣＶＤ装置。

Images