JP4220318B2

JP4220318B2 - プロセスチャンバー内のクリーニング方法

Info

Publication number: JP4220318B2
Application number: JP2003189510A
Authority: JP
Inventors: 隆一郎伊崎
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2023-07-01
Also published as: JP2005026409A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセスチャンバー内のクリーニング方法に関し、詳しくは、ＣＶＤ装置等のプロセスチャンバー内に付着したシリコン系不純物を除去するプロセスチャンバー内のクリーニング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの加工装置、表面改質装置、薄膜生成装置等では、プロセスチャンバー内に付着したシリコン系不純物を除去するため、ＮＦ_３やフルオロカーボンガスをプロセスチャンバー内に導入して高周波電力を印加し、プラズマを生成することによってフッ素（Ｆ）ラジカルを発生させ、このＦラジカルによって不純物を除去することが行われている。また、プロセスチャンバーの前段で前記フルオロカーボンガスをプラズマ化してＦラジカルを生成し、このＦラジカルをチャンバー内に導入することにより不純物を除去するクリーニング方法も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１３１７５０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＮＦ_３やフルオロカーボンガスをプロセスチャンバー内に導入して高周波電力を印加するものでは、特許文献１の従来技術にも記載されているように、高価なガスを使用したり、地球温暖化に影響を与えるガスが排出されるという不都合があり、クリーニング効果も低いという問題がある。一方、特許文献１に記載された方法では、特定のフルオロカーボンガスをプロセスチャンバーの前段でプラズマ化してＦラジカルを生成しているため、腐食性が極めて高いＦラジカルが通過するプロセスチャンバーに至るまでの配管系が腐食するおそれがある。さらに、短寿命のＦラジカルを、損失を抑えながらプロセスチャンバーに輸送する必要があるため、プロセスチャンバー前段のガスシステムにも制約が出てくる。
【０００５】
また、両者とも、一段のプラズマ化でＦラジカルを発生させるようにしているため、分解効率が低かったり、あるいは、分解率を高めるためには非常に大きな放電電力を必要とする。分解率が低い場合には、地球温暖化係数が高いＮＦ_３やフルオロカーボンガスが未分解のままプロセスチャンバーから排出されることになり、環境負荷の面から問題である。
【０００６】
さらに、フッ素ガス（Ｆ_２）や二フッ化カルボニル（ＣＯＦ_２）をプロセスチャンバーに導入してプラズマ化する方法も開発されているが、これらのガスは腐食性や毒性が極めて高いため、これらを供給源からプロセスチャンバーへ直接供給することは、危険性が高いため取り扱いが困難である。
【０００７】
そこで本発明は、地球温暖化に影響を与えるガスの排出や配管系の腐食等を抑制しながら、プロセスチャンバーのクリーニングを効果的に行うことができるプロセスチャンバー内のクリーニング方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のプロセスチャンバー内のクリーニング方法は、プロセスチャンバー内に付着したシリコン系不純物を除去するクリーニング方法であって、三フッ化窒素をフッ素分子と窒素とに分解し、分解したフッ素分子及び窒素をプロセスチャンバー内に導入し、該プロセスチャンバー内でプラズマ化してフッ素ラジカルを発生させ、該フッ素ラジカルによりプロセスチャンバー内に付着した不純物を除去することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のプロセスチャンバー内のクリーニング方法を適用した基板処理装置（実験装置）の系統図である。この基板処理装置は、プラズマ生成手段１１を備えたプロセスチャンバー１２と、該プロセスチャンバー１２内に成膜原料ガスやクリーニングガス等を供給するためのガスシステムを構成するプロセスガス導入経路１３と、該プロセスガス導入経路１３に設けられて前記クリーニングガスを反応させてフッ素分子を発生させる反応器１４と、該反応器１４の下流側に設置されたフィルター１５と、プロセスチャンバー１２内を真空排気するための真空ポンプ１６を有する減圧排気経路１７とを備えている。なお、本形態例では、本発明のクリーニング効果を検証するための実験装置として、プロセスチャンバー１２内にクリーニングガスを供給する補助クリーニングガス導入経路１８と、プロセスチャンバー１２内のガス組成を検出するための質量分析装置１９とを設けている。
【００１０】
プロセスチャンバー１２内での基板２１上への成膜操作は、基板２１をサセプタ２２を介して所定温度に加熱し、チャンバー上部に配置したプロセスガス導入部２３から所定の原料ガスを導入するとともに、プラズマ生成手段１１に電源部２４から高周波電力を印加してチャンバー内にプラズマを生成することにより行われる。
【００１１】
前記プロセスガス導入経路１３には、成膜操作に使用する所定の原料ガスＧ１、希釈用あるいはパージ用のガスＧ２、成膜時やクリーニング時に使用する反応性のガスＧ３に加えて、プロセスチャンバー１２内をクリーニングするためのクリーニングガスＧ４の供給源がそれぞれ設けられており、補助クリーニングガス導入経路１８には、従来から用いられているＮＦ_３のようなクリーニングガスＧ５やプラズマを生成する際の放電特性を向上させるための放電用ガスＧ６の供給源が設けられている。これらのガスは、流量調節計（マスフローコントローラー）ＭＦＣで精密に流量制御されてプロセスチャンバー１２内に供給される。
【００１２】
前記クリーニングガスＧ４としては、ＮＦ_３を用いる。
【００１３】
また、前記反応器１４は、ＮＦ _３を反応（化学変化）させて活性なフッ素分子を発生させることができれば各種の反応器を用いることができる。例えば、プラズマ、熱、触媒、光を反応源として利用した反応器を用いることが可能であるが、反応器１４の小型化や反応率の面を考慮するとプラズマが最適である。反応器１４に用いるプラズマ生成手段は、励起周波数は高周波からマイクロ波まで使用可能であるが、マイクロ波が好適である。このときの反応器１４は、ＮＦ _３を導入して反応させる反応室内にプラズマを形成するため、反応室の外周にアンテナや導波管を配置した構成とする。また、前記反応室は、アルミナや石英のように、励起波を透過し、かつ、ガスを遮断し、内外圧力差とフッ素による反応性とに耐えられる誘電体により形成する。
【００１４】
プラズマを用いた反応器１４では、ＮＦ _３中の三フッ化窒素は、下記反応式に示すように、プラズマの作用により分解してＮ_２とＦ_２とを生成する。
【００１５】
２ＮＦ_３＋ｅ（プラズマ）→Ｎ_２＋３Ｆ_２
【００１６】
反応器１４で発生したフッ素分子を含むガスは、フィルター１５を経てプロセスガス導入部２３からプロセスチャンバー１２内に導入され、プラズマ生成手段１１の作用によってプラズマ化し、チャンバーの内壁に付着したシリコン系の不純物を効果的に除去することができるＦラジカルを発生させる。
【００１７】
このように、ボンベ等の供給源から供給するには安定で安全性の高いＮＦ _３を使用し、これをプロセスチャンバー１２に供給する配管途中に設けた反応器１４で反応させることにより、中間物質として活性な反応性ガスであるフッ素分子を発生させ、この反応性ガスをプロセスチャンバー１２に導入して再度のプラズマ化でＦラジカルを発生させるようにしたことにより、安全性を確保しながらクリーニング効果をより高めることができる。
【００１８】
特に、反応器１４では、上記反応式に示すように、ＮＦ_３はプラズマ放電特性が良好なＮ_２とＦ_２とに分解するので、別途プラズマ放電特性を改善するためのガスを混合しなくてもよくなり、これらの反応性ガスを高濃度でプロセスチャンバー１２に供給できる。これにより、Ｆラジカルの濃度も高めることができ、高速なクリーニングを行うことが可能となる。
【００１９】
さらに、反応器１４であらかじめ反応（化学変化）させ、続いてプロセスチャンバー１２でもプラズマ化しているので、ＮＦ_３のほとんどを分解することができ、プロセスチャンバー１２から排出されるガス中に含まれる地球温暖化物質量を大幅に低減することができる。また、Ｆラジカルのような短寿命の化学種をプロセスチャンバー１２に供給する必要性がないため、反応器１４や反応器１４とプロセスチャンバー１２との間のガスシステムの自由度を大幅に向上することができる。
【００２０】
【実施例】
実施例１
図１に示した実験装置を使用してＮＦ_３の分解効率と生成物とを測定した。まず、ガスシステムから１００％のＮＦ_３を供給し、反応器を経由してプロセスチャンバーに流入したガスの成分を質量分析計（ＱＭＳ）で測定した。反応器は、マイクロ波励起プラズマ（２．４５ＧＨｚ）を使用した。反応器における放電電力とＮＦ_３の分解率との関係を図２に示す。
【００２１】
従来は、１００％のＮＦ_３をクリーニングプロセスにおいて用いることは困難であったが、本実施例の場合、ラジカルの生成効率やプロセスチャンバーの仕様に関わらず、反応器でのガスの変換効率にのみ条件を最適化すればよいので、１００％のＮＦ_３から高収率でＦ_２を得ることができる。実験では、７５Ｗ程度の低給電電力下でもＮＦ_３は１００％分解し、分解したＮＦ_３からはＮ_２とＦ_２が生成し、その比率は、ＮＦ_３の１モルに対して、Ｎ_２が０．５モル、Ｆ_２は１．２モルであり、マスバランスの略取れた反応系を実現できていることがわかった。また、１００％のＮＦ_３を供給しても、ＮＦ_３は反応器において低消費電力で効率的に分解されるので、プロセスチャンバーに供給される時点では、既に地球温暖化物質であるＮＦ_３は大幅に低減されている。
【００２２】
実施例２
１００％のＮＦ_３を反応器を経由してプロセスチャンバーに導入した場合と、反応器を経由しないで１００％のＮＦ_３を導入した場合とで、プロセスチャンバー内での放電状態を比較した。プロセスチャンバーのプラズマは、ＩＣＰ（誘導結合型１３．５６ＭＨｚ）であり、放電条件は１０ｍｔｏｒｒで１ｋｗとした。
【００２３】
プロセスチャンバーに１００％のＮＦ_３を導入した場合は、プラズマ放電させることができなかったが、反応器でＮＦ_３を分解してＮ_２とＦ_２とを主とする反応性ガスとし、これをプロセスチャンバーに導入した場合は、反応器の電力が７５ｗ以上において、プロセスチャンバー内で安定な放電状態を形成することができた。また、クリーニング効果も十分に満足のいくものであった。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安定で毒性の低いＮＦ_３のハンドリング性を生かしながら、Ｆ_２を用いた場合と同等のクリーニング特性や低環境負荷特性が得られる。すなわち、地球温暖化物質の排出を抑制し、かつ、高速なクリーニングを行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプロセスチャンバー内のクリーニング方法を適用した基板処理装置（実験装置）の系統図である。
【図２】反応器における放電電力とＮＦ_３の分解率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１１…プラズマ生成手段、１２…プロセスチャンバー、１３…プロセスガス導入経路、１４…反応器、１５…フィルター、１６…真空ポンプ、１７…減圧排気経路、１８…補助クリーニングガス導入経路、１９…質量分析装置、２１…基板、２２…サセプタ、２３…プロセスガス導入部、２４…電源部、Ｇ１…原料ガス、Ｇ２…希釈用あるいはパージ用のガス、Ｇ３…反応性のガス、Ｇ４…クリーニングガス

Claims

プロセスチャンバー内に付着したシリコン系不純物を除去するクリーニング方法であって、三フッ化窒素をフッ素分子と窒素とに分解し、分解したフッ素分子及び窒素をプロセスチャンバー内に導入し、該プロセスチャンバー内でプラズマ化してフッ素ラジカルを発生させ、該フッ素ラジカルによりプロセスチャンバー内に付着した不純物を除去することを特徴とするプロセスチャンバー内のクリーニング方法。