JP3626833B2

JP3626833B2 - 成膜装置および成膜方法

Info

Publication number: JP3626833B2
Application number: JP14704997A
Authority: JP
Inventors: 輝夫岩田; 和一林
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1997-05-22
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2017-05-22
Also published as: JPH10317147A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、例えばＴｉ膜などの薄膜を成膜する成膜装置に関し、特にクリーニングの際にチャンバー内で発生したクリーニング副生物が排気系に悪影響を及ぼさない成膜装置および成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスにおいては、金属配線層や、下層のデバイスと上層の配線層との接続部であるコンタクトホール、上下の配線層同士の接続部であるビアホールなどの層間の電気的接続のための埋め込み層、さらには埋め込み層形成に先立って拡散防止のために形成される、Ｔｉ（チタン）膜およびＴｉＮ（窒化チタン）膜の２層構造のバリア層など金属系の薄膜が用いられる。
【０００３】
このような金属系の薄膜は物理的蒸着（ＰＶＤ）を用いて成膜されていたが、最近のようにデバイスの微細化および高集積化が特に要求され、デザインルールが特に厳しくなって、それにともなって線幅やホールの開口径が一層小さくなり、しかも高アスペクト比化されるにつれ、特に、バリア層を構成するＴｉ膜やＴｉＮ膜においてはＰＶＤ膜ではホール底に成膜することが困難となってきた。
【０００４】
そこで、バリア層を構成するＴｉ膜およびＴｉＮ膜を、より良質の膜を形成することが期待できる化学的蒸着（ＣＶＤ）で成膜することが行われている。そして、ＣＶＤによりＴｉ膜を成膜する場合には、反応ガスとしてＴｉＣｌ₄（四塩化チタン）およびＨ₂（水素）が用いられ、ＴｉＮ膜を成膜する場合には、反応ガスとしてＴｉＣｌ₄とＮＨ₃（アンモニア）またはＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）とが用いられる。
【０００５】
ところで、ＣＶＤによって上記のような薄膜を成膜する場合には、被成膜基板である半導体ウエハに膜が堆積するとともに、チャンバー壁にも堆積物が付着する。このため、成膜終了後、次の成膜に先だってチャンバー内をクリーニングする。この際のクリーニングにおいては、近時、チャンバー壁およびサセプターを加熱するとともにＣｌＦ₃ガスをチャンバー内に導入して堆積物を分解する方法が採用されている。
【０００６】
しかしながら、Ｔｉ膜成膜後のクリーニングに際しては、ＴｉＦ₄が副生物として発生し、これが排気系に付着してしまう。そこで従来は、特開平８−１７６８２９号公報に開示されているような、排気管のトラップに至るまでの部分を所定の温度に加熱する方法を用いて、ＴｉＦ₄が排気系に付着することを防止している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排気管のトラップに至る部分にはドラッグポンプが設けられており、排気管を加熱する際にドラッグポンプも加熱されるが、ＴｉＦ₄が付着しない温度まで加熱するとドラッグポンプのローターのクリープ破壊が生じやすいという問題点がある。
【０００８】
このような問題点を回避するため、トラップをドラッグポンプの前段に配置し、ドラッグポンプの加熱を回避する方法も考えられるが、このような方法では、ドラッグポンプの容量を大きくする必要があり、またトラップから発生した蒸気がチャンバーに影響を与えるおそれがある。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、クリーニング時の排気の際に、クリーニング副生物の処理に伴う問題が発生しない成膜装置および成膜方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１発明は、被処理基板を収容するためのチャンバーと、
前記チャンバー内で被処理基板に対し成膜処理を施す成膜手段と、
前記チャンバー内をクリーニングするクリーニング手段と、
前記チャンバー内を排気する排気手段と
を具備し、
前記排気手段は、前記チャンバーに接続された主排気ラインと、前記主排気ラインの前段側に設けられたドラッグポンプと、前記主排気ラインの後段側に設けられたドライポンプと、前記主排気ラインから前記ドラッグポンプをバイパスして主排気ラインの前記ドライポンプ前段側に接続されるバイパスラインと、前記バイパスラインに設けられたトラップとを有するとともに、前記ドラッグポンプは前記チャンバーが収容される装置本体に設けられ、前記ドライポンプおよびトラップは装置本体の外側に設けられており、前記バイパスラインは、装置本体の内側で前記主排気ラインと合流し、装置本体の外側で再び主排気ラインから分岐していることを特徴とする成膜装置を提供する。
【００１１】
第２発明は、第１発明において、前記バイパスラインの前記トラップに至るまでの部分を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする成膜装置を提供する。
【００１２】
第３発明は、第２発明において、前記主排気ライン側と前記バイパスライン側とで排気経路を切り換える切り換え手段を備えたことを特徴とする成膜装置を提供する。
【００１３】
第４発明は、第１発明ないし第３発明のいずれかにおいて、前記成膜手段は、前記チャンバー内に成膜ガスを供給する成膜ガス供給系を有し、前記クリーニング手段は、前記チャンバー内にクリーニングガスを供給するクリーニングガス供給系を有することを特徴とする成膜装置を提供する。
【００１４】
第５発明は、第４発明において、前記成膜ガス供給系はチャンバー内にチタン含有ガスを供給し、前記クリーニングガス供給系はチャンバー内にフッ素含有ガスを供給することを特徴とする成膜装置を提供する。
【００１５】
第６発明は、第１発明ないし第５発明のいずれかの成膜装置を用いて、被処理基板に対して成膜処理を行い、その後チャンバー内のクリーニング処理を行う成膜方法であって、成膜処理の際は、前記主排気ラインを通って排気を行い、クリーニング処理の際は、前記バイパスラインを所定温度に加熱しながら、バイパスラインを通って排気を行うことを特徴とする成膜方法を提供する。
【００１６】
第１発明においては、排気手段が、チャンバーに接続された主排気ラインと、主排気ラインの前段側に設けられたドラッグポンプと、主排気ラインの後段側に設けられたドライポンプと、主排気ラインからドラッグポンプをバイパスして主排気ラインのドライポンプ前段側に接続されるバイパスラインと、バイパスラインに設けられたトラップと、を有するので、成膜処理の際は、主排気ラインを通って排気を行い、クリーニング処理の際は、バイパスラインを所定温度に加熱しながらバイパスラインを通って排気を行うことができる。したがって、主排気ラインに影響を与えずにクリーニング副生物を処理することができ、クリーニング副生物の処理に伴う上記問題を回避することができる。
また、ドラッグポンプがチャンバーが収容される装置本体に設けられ、ドライポンプおよびトラップは装置本体の外側に設けられているので、トラップ交換等のメンテナンスの際に、装置本体の外側の部分を取り外せばよく、メンテナンス性が良好である。
さらに、バイパスラインが、装置本体の内側において主排気ラインと合流し、装置本体の外側で再び主排気ラインから分岐させることにより、トラップ交換等のメンテナンスの際に、装置本体の出口の一箇所を取り外せばよく、メンテナンス性が一層良好となる。
【００１７】
第４発明のように、成膜手段がチャンバー内に成膜ガスを供給する成膜ガス供給系を有し、クリーニング手段がチャンバー内にクリーニングガスを供給するクリーニングガス供給系を有する成膜装置の場合に、上記効果が大きいものとなる。
【００１８】
また、第５発明においては、第４発明において成膜ガスとしてチタン含有ガスを用い、クリーニングガスとしてフッ素含有ガスを用いるので、クリーニング副生物としてフッ化チタンが生じるが、上述したように成膜処理の際に主排気ラインを通って排気を行い、クリーニング処理の際は、バイパスラインを所定温度に加熱しながら、バイパスラインを通って排気を行うことができるので、クリーニング副生物として生成するフッ化チタンを主排気ラインに影響を与えずに加熱して処理することができ、クリーニング副生物の処理に伴う上記問題を回避することができる。
【００１９】
第６発明によれば、第１発明ないし第５発明のいずれかの成膜装置を用いて、被処理基板に対して成膜処理を行い、その後チャンバー内のクリーニング処理を行うにあたり、成膜処理の際は、前記主排気ラインを通って排気を行い、クリーニング処理の際は、前記バイパスラインを所定温度に加熱しながら、バイパスラインを通って排気を行うので、主排気ラインに影響を与えずにクリーニング副生物を処理することができ、クリーニング副生物の処理に伴う上記問題を回避することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るＣＶＤ−Ｔｉ成膜装置を示す断面図である。この成膜装置は、気密に構成された略円筒状のチャンバー１を有しており、その中には被処理体である半導体ウエハＷを水平に支持するためのサセプター２が円筒状の支持部材３により支持された状態で配置されている。サセプター２の外縁部には半導体ウエハＷをガイドするためのガイドリング４が設けられている。また、サセプター２にはヒーター５が埋め込まれており、このヒーター５は電源６から給電されることにより被処理体である半導体ウエハＷを所定の温度に加熱する。電源６にはコントローラー７が接続されており、これにより図示しない温度センサーの信号に応じてヒーター５の出力が制御される。
【００２１】
チャンバー１の天壁１ａには、シャワーヘッド１０がサセプター２に支持された半導体ウエハＷと対向するように設けられており、そのウエハＷと対向する下面には多数のガス吐出孔１０ａが形成されている。シャワーヘッド１０の内部には空間１１が形成されており、その中に水平に多数の孔が形成された分散板１２が設けられている。チャンバー１の天壁１ａの中央にはシャワーヘッド１０内部の空間１１にガスを導入するガス導入口１３が形成されており、このガス導入口１３にはガス供給管１５が接続されている。
【００２２】
ガス供給管１５には、Ｈ₂源１６、Ａｒ源１７、ＴｉＣｌ₄源１８、ＣｌＦ₃源１９が配管１５ａを介して接続されており、これらガス源から所望のガスがガス供給管１５およびシャワーヘッド１０を通ってチャンバー１内に供給される。成膜の際には、Ｈ₂源１６、Ａｒ源１７およびＴｉＣｌ₄源１８から、それぞれＨ₂ガス、ＡｒガスおよびＴｉＣｌ₄ガスが供給され、これらにより半導体ウエハＷにＴｉ膜が形成される。さらに、チャンバー１内をクリーニングする場合には、ＣｌＦ₃源１９からＣｌＦ₃ガスが供給される。なお、各ガス源からの配管１５ａには、いずれもバルブ２６およびマスフローコントローラー２７が設けられている。
【００２３】
チャンバー１の天壁１ａにはマッチング回路２２を介して高周波電源２３が接続されており、この高周波電源２３から天壁１ａに高周波電力が印可され得るようになっている。この高周波電力により、チャンバー１内に成膜ガスのプラズマが形成される。なお、チャンバー１の天壁１ａとチャンバー１の側壁との間は、絶縁部材１４により電気的に絶縁されており、チャンバー１は接地されている。
【００２４】
チャンバー１の底壁１ｂには、排気ポート８が設けられており、この排気ポート８にはチャンバー１内を排気するための排気系９が接続されている。
この排気系９は、図２に示すように、主排気ライン３１を備えており、この主排気ライン３１がチャンバー１の排気ポート８に接続されている。そして、この主排気ライン３１の前段にはドラッグポンプ３３が設けられ、後段にはドライポンプ３４が設けられていて、ドライポンプ３４で粗引きを行い、ドラッグポンプ３３でさらに高真空まで真空引きを行う。
【００２５】
主排気ライン３１のドラッグポンプ３３の上流側の部分（分岐点Ａ）にはバイパスライン３２が分岐して設けられており、このバイパスライン３２はドラッグポンプ３３をバイパスして主排気ライン３１のドライポンプ３４前段部分に接続されている。このバイパスライン３２は装置本体側の前段部３２ａと装置本体の外側の後段部３２ｂとを有しており、後段部３２ｂにはガス内の反応生成物を捕捉するためのトラップ３５が設けられている。また、バイパスライン３２のトラップ３５までに至る部分および主排気ライン３１の分岐点Ａの上流部分には、これら部分を加熱する加熱装置３６が設けられている。
【００２６】
バイパスライン３２は装置本体内側の外壁４１の出口付近において、主排気ライン３１と合流して１本の配管となった合流部３２ｃを有しており、装置本体の外側の部分（分岐点Ｂ）において再び主排気ライン３１から分岐し、その分岐した部分が上記後段部３２ｂとなっている。また、排気系９のうち、ドラッグポンプ３３は装置本体側に設けられており、ドライポンプ３４およびトラップ３５は装置本体の外側に設けられている。そして、排気系９の装置本体の外側の部分は、合流部３２ｃにおいて取り外し可能となっている。
【００２７】
主排気ライン３１およびバイパスライン３２の分岐点Ａ近傍下流側には、それぞれバルブ３７およびバルブ３８が設けられており、分岐点Ｂ近傍下流側には、それぞれバルブ３９およびバルブ４０が設けられていて、これらバルブにより、排気経路を主排気ライン３１側とバイパスライン３２側とで切り換えるようになっている。そして、チャンバー１内で半導体ウエハＷに対して成膜処理を行う際には、バルブ３７および３９を開にして主排気ライン３１を通ってドライポンプ３４およびドラッグポンプ３３により所定の真空度まで排気を行い、クリーニング処理を行う際には、バルブ３８および４０を開にして加熱装置３６で加熱しながらバイパスライン３２を通ってドライポンプ３４のみで排気を行う。
【００２８】
このように構成される装置においては、まず、チャンバー１内に半導体ウエハＷを装入し、ヒーター５によりウエハＷを例えば４５０〜６００℃の温度に加熱しながら、排気系９のバルブ３７および３９を開にし、バルブ３８および４０を閉じて、排気経路を主排気ライン３１側にした状態で、ドライポンプ３４およびドラッグポンプにより真空引きして高真空状態にし、チャンバー１内を例えば０．１〜１Torrにし、Ａｒガス、Ｈ₂ガスおよびＴｉＣｌ₄ガスを所定の流量で５〜２０秒間程度プリフローし、引き続き同じ条件でガスをフローさせてＴｉ膜の成膜を所定時間行う。そして、成膜終了後、半導体ウエハＷをチャンバー１から搬出する。
【００２９】
成膜後のチャンバー１およびサセプター２にはＴｉが堆積しているため、チャンバー１内のクリーニングを行う。このクリーニングに際しては、成膜用のＴｉＣｌ₄ガスおよびＨ₂ガスの供給を停止し、チャンバー１内へＣｌＦ₃ガスを供給する。この際に、サセプター２のヒーター５およびチャンバーの壁部に設けられたヒーター（図示せず）によりサセプター２およびチャンバー壁を例えば３００℃程度に加熱する。ＣｌＦ₃は反応性が高いため、このように加熱するのみでＴｉと反応して所定温度以上でガス化する四フッ化チタン（ＴｉＦ₄）を生成し、チャンバー外へ排出することができる。すなわちクリーニングガスとしてＣｌＦ₃を用いることによりプラズマレスクリーニングが可能であり、極めて簡便にクリーニングを行うことができる。
【００３０】
この場合に、排気系９のバルブ３８および４０を開にし、バルブ３７および３９を閉じて、排気経路をバイパスライン３２側にした状態で、バイパスライン３２のトラップ３５までに至る部分および主排気ライン３１の分岐点Ａの上流部分を加熱装置３６でＴｉＦ₄のガス化温度以上に加熱してＴｉＦ₄の付着を防止しつつ、バイパスライン３２を通ってドライポンプ３４のみで排気を行う。バイパスライン３２に導かれた排ガス中のＴｉＦ₄はトラップ３５で捕捉される。
【００３１】
このように、クリーニングの際の排気をバイパスライン３２により行うようにしたので、クリーニング副生ガスであるＴｉＦ₄を主排気ラインに影響を与えずに処理することができ、従来ＴｉＦ₄を処理する際に問題となっていたドラッグポンプが加熱されることに伴うローターのクリープ破壊や、ドラッグポンプの容量を大きくすること、およびトラップから発生した蒸気がチャンバーに影響を与えることを回避することができる。
【００３２】
また、排気系９のうち、ドラッグポンプ３３は装置本体側に設けられており、ドライポンプ３４およびトラップ３５は装置本体の外側に設けられているので、トラップ３５を交換する等のメンテナンスの際に、装置本体の外側の部分を取り外せばよくメンテナンス性が良好である。
【００３３】
さらに、バイパスライン３２は装置本体の外壁４１の出口において、主排気ライン３１と合流して１本の配管となった合流部３２ｃを有し、装置本体の外側の部分（分岐点Ｂ）において再び主排気ライン３１から分岐しており、かつ合流部３２ｃにおいて排気系９の装置本体の外側の部分を取り外すことができるので、トラップ３５の交換等のメンテナンスの際に、装置本体の出口の一箇所を取り外せばよく、メンテナンス性が一層良好となる。
【００３４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば上記実施の形態では、ＣＶＤによってＴｉ膜を成膜し、ＣｌＦ₃ガスでクリーニングする例を示したが、これに限るものではなく、特に、成膜の際には排気系の付着が問題にならないが、クリーニングの際に排気系に付着するクリーニング副生物を生成する場合に有効である。
【００３５】
また、上記実施の形態では装置本体出口において、バイパスラインと主排気ラインとを合流させて１本の配管としたが、これに限るものではなく、図３に示すように、バイパスライン３２を一本化し、バルブ３７および３８のみで排気路の切り換えを行うようにしてもよい。さらに、被処理基板としては、半導体ウエハに限らずＬＣＤ基板等他のものであってもよく、また、基板上に他の層を形成したものであってもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、第１発明によれば、成膜処理の際は主排気ラインを通って排気を行い、クリーニング処理の際はバイパスラインを所定温度に加熱しながらバイパスラインを通って排気を行うので、主排気ラインに影響を与えずにクリーニング副生物を処理することができ、クリーニング副生物の処理に伴う従来の問題を回避することができる。
また、ドライポンプおよびトラップは装置本体の外側に設けられているので、トラップ交換等のメンテナンスの際に、装置本体の外側の部分を取り外せばよくメンテナンス性が良好である。
【００３７】
さらに、バイパスラインが、装置本体の出口において主排気ラインと合流し、装置本体の外側で再び主排気ラインから分岐しているので、トラップ交換等のメンテナンスの際に、装置本体の出口の一箇所を取り外せばよく、メンテナンス性が一層良好となる。
【００３８】
第４発明のように、成膜手段がチャンバー内に成膜ガスを供給する成膜ガス供給系を有し、クリーニング手段がチャンバー内にクリーニングガスを供給するクリーニングガス供給系を有する成膜装置を用いることにより、上記効果が大きいものとなる。
【００３９】
また、第５発明によれば、第４発明において成膜ガスとしてチタン含有ガスを用い、クリーニングガスとしてフッ素含有ガスを用いるので、クリーニング副生物としてフッ化チタンが生じるが、上述したように成膜処理の際に主排気ラインを通って排気を行い、クリーニング処理の際は、バイパスラインを所定温度に加熱しながら、バイパスラインを通って排気を行うことができるので、クリーニング副生物として生成するフッ化チタンを主排気ラインに影響を与えずに加熱して処理することができ、クリーニング副生物の処理に伴う従来の問題を回避することができる。
【００４０】
第６発明によれば、前記バイパスラインを所定温度に加熱しながら、バイパスラインを通って排気を行うので、主排気ラインに影響を与えずにクリーニング副生物を処理することができ、クリーニング副生物の処理に伴う従来の問題を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す断面図。
【図２】図１の成膜装置の排気系を示す図。
【図３】排気系の他の例を示す図。
【符号の説明】
１……チャンバー
２……サセプター
８……排気ポート
９……排気系
１０……シャワーヘッド
１０ａ……ガス吐出孔
１６……Ｈ₂源
１７……Ａｒ源
１８……ＴｉＣｌ₄源
１９……ＣｌＦ₃源
２３……高周波電源
３１……主排気ライン
３２……バイパスライン
３３……ドラッグポンプ
３４……ドライポンプ
３５……トラップ
３６……加熱装置
３７，３８，３９，４０……バルブ
Ｗ……半導体ウエハ

Claims

被処理基板を収容するためのチャンバーと、
前記チャンバー内で被処理基板に対し成膜処理を施す成膜手段と、
前記チャンバー内をクリーニングするクリーニング手段と、
前記チャンバー内を排気する排気手段と
を具備し、
前記排気手段は、前記チャンバーに接続された主排気ラインと、前記主排気ラインの前段側に設けられたドラッグポンプと、前記主排気ラインの後段側に設けられたドライポンプと、前記主排気ラインから前記ドラッグポンプをバイパスして主排気ラインの前記ドライポンプ前段側に接続されるバイパスラインと、前記バイパスラインに設けられたトラップとを有するとともに、前記ドラッグポンプは前記チャンバーが収容される装置本体に設けられ、前記ドライポンプおよびトラップは装置本体の外側に設けられており、前記バイパスラインは、装置本体の内側で前記主排気ラインと合流し、装置本体の外側で再び主排気ラインから分岐していることを特徴とする成膜装置。
前記バイパスラインの前記トラップに至るまでの部分を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
前記主排気ライン側と前記バイパスライン側とで排気経路を切り換える切り換え手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
前記成膜手段は、前記チャンバー内に成膜ガスを供給する成膜ガス供給系を有し、前記クリーニング手段は、前記チャンバー内にクリーニングガスを供給するクリーニングガス供給系を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記成膜ガス供給系はチャンバー内にチタン含有ガスを供給し、前記クリーニングガス供給系はチャンバー内にフッ素含有ガスを供給することを特徴とする請求項４に記載の成膜装置。
請求項１ないし請求項５のいずれかの成膜装置を用いて、被処理基板に対して成膜処理を行い、その後チャンバー内のクリーニング処理を行う成膜方法であって、成膜処理の際は、前記主排気ラインを通って排気を行い、クリーニング処理の際は、前記バイパスラインを所定温度に加熱しながら、バイパスラインを通って排気を行うことを特徴とする成膜方法。