JP5021907B2

JP5021907B2 - 窒化物半導体製造装置の洗浄方法と洗浄装置

Info

Publication number: JP5021907B2
Application number: JP2005151379A
Authority: JP
Inventors: 修康富田; 由章杉森; 仲男阿久津
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2025-05-24
Also published as: JP2006332201A

Description

本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒素ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）等の窒化物半導体を製造する装置、すなわち窒化物半導体製造装置内の汚染された部品を洗浄する方法とその装置に関する。

窒化物半導体製造装置（以下、「半導体製造装置」という。）では、ウエハー上にＧａＮやＡｌＧａＮなどの窒化物を堆積させて半導体を製造するが、この過程で、半導体製造装置内のウエハー上に堆積すべきＧａＮなどの半導体薄膜が、ウエハーを保持するウエハートレーやガス流路など、ウエハー以外の各種部品に付着する。
ウエハー以外の部品に付着したＧａＮなどの半導体薄膜は、不要な汚染物となり、窒化物半導体を製造する上で障害になるので、適宜汚染部品を洗浄して汚染物を除去する必要がある。

この汚染物の洗浄方法として、通常、水素洗浄と燐酸洗浄が併行して行われている。
水素洗浄は、主としてウエハートレーに付着した汚染物を除去するもので、ウエハートレーを１０００℃以上の高温に保持しつつ半導体製造装置内に水素を通気して行う。１０００℃以上にするのは、汚染物と水素との反応生成物を揮発除去するためである。

燐酸洗浄は、ガス流路を構成するフローチャネル等に付着した汚染物を除去するもので、フローチャネル等の流路形成部品を半導体製造装置から取り外し、別の場所で、前記流路形成部品を加熱した燐酸に浸漬して洗浄するものである。
なお、水素洗浄や燐酸洗浄に関するは、公知文献は承知していない。酸化ケイ素を主体とする汚染物の除去については、以下の特許公報がある。
特開２００２−１６４３３５号公報

しかしながら、水素洗浄ではウエハートレーを１０００℃以上の高温に保持するため、ウエハートレーが熱変形してしまう怖れがあった。一方、燐酸洗浄では有毒な燐酸蒸気下で洗浄することになるので作業者が危険であった。
よって、本発明における課題は、窒化物半導体を製造する際、半導体製造装置を構成する各種部品が上記汚染物で汚染された場合に、この汚染部品を部品の損傷を来すことなく、しかも作業者が安全に作業することができる洗浄方法および清浄装置を得ることにある。

本発明の窒化物半導体製造装置の洗浄方法は、ＧａＮやＡｌＧａＮを堆積させて半導体薄膜を成膜する、ガス流路を構成するフローチャネルを有する窒化物半導体製造装置から、汚染された石英ガラスからなる部品を取り外して、５００〜１０００℃以下の温度において、洗浄装置内で、塩素ガスを窒素で希釈したガスである洗浄ガスと接触させる窒化物半導体製造装置の洗浄方法であって、前記部品には、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる汚染物が付着しており、前記洗浄ガスは、塩素ガス濃度が０．１体積％以上１体積％以下であり、前記部品に前記洗浄ガスを接触させる時間が１．０時間以下であることを特徴とする。

ここで、汚染された部品を５００℃以上の温度で接触させるのは、汚染物と洗浄ガスとの反応によって生成された反応生成物を気化して排出するためである。５００℃未満の温度でも反応生成物を気化できるが、揮発速度が遅くなるので洗浄装置としては実用的でない。また、接触時の温度を１０００℃以下としたのは、汚染された部品の熱変形を防止する観点から定めたもので、１０００℃以上の温度でも熱変形を起こさない部品であれば１０００℃以上にしても良い。

また、洗浄ガスは塩素ガスを希釈ガスで希釈したガスで、塩素ガス以外に、ＨＣｌ、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨ_３Ｃｌ、ＢＣｌ_３、ＣＨＣｌ_３、ＣＨ_２Ｃｌ_２、ＣＨ_３Ｃｌ等の分子内に塩素を含む化合物の１種または２種以上の混合物を用いても一定の効果が得られるが、価格等を考慮すると塩素ガスが特に好ましい。

希釈ガスとしては、窒素、水素、ヘリウム、アルゴン、空気などの塩素ガスと反応しない任意のガスの１種または２種以上の混合ガスを用いることができる。
さらに、洗浄ガス中の塩素ガス濃度は０．１体積％以上とされる。塩素ガス濃度が０．１体積％未満でも汚染物は洗浄ガス中の塩素ガスと反応するが、反応速度が遅くなり実用性に乏しくなる。一方、塩素ガス濃度は高いほうが洗浄性能は高まるが、塩素ガス濃度を高くし過ぎると、部品自体が腐食する怖れがあるので、通常は５０体積％以下とするのが好ましい。

次に、本発明の窒化物半導体製造装置の洗浄装置は、ＧａＮやＡｌＧａＮを堆積させて半導体薄膜を成膜する、ガス流路を構成するフローチャネルを有する窒化物半導体製造装置から、汚染された石英ガラスからなる汚染部品（洗浄対象部品）を取り外して洗浄する窒化物半導体製造装置の洗浄装置であって、洗浄ガス導入管と揮発ガス排出管とを有する反応室と、この反応室内に配置した前記洗浄対象部品を５００〜１０００℃の温度に保持できる加熱手段と、洗浄ガス導入管に塩素ガスを窒素で希釈した塩素ガス濃度が０．１体積％以上１体積％以下のガスである洗浄ガスを、前記洗浄対象部品と前記洗浄ガスの接触時間を１．０時間以下にして送り込む洗浄ガス供給源を備え、前記洗浄対象部品には、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる汚染物が付着していることを特徴とする。なお、前記揮発ガスとは、汚染部品に付着している汚染物と洗浄ガス中の塩素ガスとが反応してできる塩化物が加熱により気化してできるガスを意味する。

本発明方法によると、汚染された部品の汚染物は、洗浄ガス中の塩素系ガスと反応して反応生成物を生じ、該反応生成物は５００℃以上の温度で生成するので直ちに気化して汚染物が除去され、汚染された部品は清浄になる。
また、従来の水素洗浄のように１０００℃以上の高温にする必要がないので、ウエハートレーが熱変形せず、また、従来の燐酸洗浄のような有毒な環境下での洗浄ではないので作業者の安全が確保できる。
しかも、２種類の洗浄方法を使い分ける従来方法に比べ、本発明方法は一つの洗浄方法で洗浄できるメリットもある。

また、本発明装置によれば、反応室内の密閉された空間内において、洗浄ガスと汚染部品に接触させて洗浄するので、作業者は安全に洗浄作業を行なうことができる。

図１は、本発明の洗浄装置の一例を示すもので、汚染された部品を収納する反応室の蓋を開放した状態を示している。
この例の洗浄装置は、汚染された部品を収納する反応室１と、反応室１内に洗浄ガスを導入する洗浄ガス導入管２と、反応室１内で生じた揮発ガスを排出する排出ガス排出管３と、反応室器１内を５００℃〜１０００℃の温度に保持できる一対のヒーター４、４（加熱手段）と、このヒーター４、４の出力を調整して反応室１内の部品の温度を５００〜１０００℃の範囲で一定に保持する温度調整器５から構成され、反応室１の底部には洗浄対象となる汚染部品６を載置する台７が配置されている。

洗浄ガスは、塩素系ガスを充填した容器８と希釈ガスを充填した容器９、９から供給され、適宜両ガスが流量調節弁１０，１０，１０により混合されて洗浄ガスとなり洗浄ガス導入管２を介して反応室１内に導入されるようになっている。
なお、ヒーター４は、発熱線、ランプ加熱など汚染部品を加熱可能なものならでも良く、個数も２つに限らず任意で良い。

この洗浄装置の操作方法を説明すると、まず、半導体製造装置内の汚染された部品を取り外して反応室１の台７の上に載置した後、反応室１を密閉する。
次いで、ヒーター４を作動させて反応室１内の汚染部品を５００℃以上の温度に加熱した後、洗浄ガス導入管２から洗浄ガスを反応室１内に導入する。
この状態を所定時間継続すると、汚染部品に付着した汚染物が洗浄ガスに含まれる塩素系ガスと反応し、反応物が生成されるが、この反応物は直ちに蒸発して揮発ガスとなり、洗浄ガスに同伴されて揮発ガス排出管３から排出される。
また、本発明の洗浄方法では、半導体製造装置自体に上記洗浄ガスを導入しても良いが、装置自体の損傷が生じないようにする必要がある。

以下具体例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
洗浄装置として、図１に記載の構成のものを使用した。
反応室として、内寸法で直径３０ｃｍ、横１００ｃｍの円筒型のものを用い、洗浄ガスとして、窒素に塩素系ガスを加えて洗浄ガスとし、その塩素系ガス濃度を変化させたものを用いた。
また、膜厚が既知の窒化ガリウムまたは窒化アルミニウムガリウムの結晶を汚染物の模擬サンプルとして用いた。

（例１）
サファイア基板上に成膜した膜厚３．０μｍのＧａＮ結晶を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が８００℃に到達した後、導入ガスを窒素２１ｓｌｍ＋塩素２１ｓｌｍ（塩素系ガス濃度５０体積％）として０．５時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍに戻し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、ＳＥＭにより処理前後のＧａＮ膜厚を測定した結果、ＧａＮ膜は全て除去されており、サファイア基板のみが残った。

（例２）
サファイア基板上に成膜した膜厚１．０μｍのＡｌＧａＮ結晶を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が８００℃に到達した後、導入ガスを窒素２１ｓｌｍ＋塩素２１ｓｌｍ（塩素系ガス濃度５０体積％）として０．５時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍに戻し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、ＳＥＭにより処理前後のＡｌＧａＮ膜厚を測定した結果、ＡｌＧａＮ膜は全て除去されており、サファイア基板のみが残った。

（参考例１）
サファイア基板上に成膜した膜厚３．０μｍのＧａＮ結晶を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が８００℃に到達した後、導入ガスを窒素２１ｓｌｍ＋塩化水素２１ｓｌｍ（塩素系ガス濃度５０体積％）として０．５時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍに戻し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、ＳＥＭにより処理前後のＧａＮ膜厚を測定した結果、ＧａＮ膜は全て除去されており、サファイア基板のみが残った。

（参考例２）
サファイア基板上に成膜した膜厚３．０μｍのＧａＮ結晶を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が８００℃に到達した後、導入ガスを窒素２１ｓｌｍ＋三塩化ホウ素２１ｓｌｍ（塩素系ガス濃度５０体積％）として０．５時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍに戻し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、ＳＥＭにより処理前後のＧａＮ膜厚を測定した結果、ＧａＮ膜は全て除去されており、サファイア基板のみが残った。

（参考例３）
サファイア基板上に成膜した膜厚３．０μｍのＧａＮ結晶を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が８００℃に到達した後、導入ガスを窒素２１ｓｌｍ＋四塩化ケイ素２１ｓｌｍ（塩素系ガス濃度５０体積％）として０．５時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍに戻し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、ＳＥＭにより処理前後のＧａＮ膜厚を測定した結果、ＧａＮ膜は全て除去されており、サファイア基板のみが残った。

（例６）
サファイア基板上に成膜した膜厚３．０μｍのＧａＮ結晶を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が８００℃に到達した後、導入ガスを窒素４１．５８ｓｌｍ＋塩素０．４２ｓｌｍ（塩素系ガス濃度１体積％）として１．０時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍに戻し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、ＳＥＭにより処理前後のＧａＮ膜厚を測定した結果、ＧａＮ膜は全て除去されており、サファイア基板のみが残った。

（従来例１）
サファイア基板上に成膜した膜厚３．０μｍのＧａＮ結晶を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が９００℃に到達した後、導入ガスを水素４２ｓｌｍとして１．０時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍに戻し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、処理後のＧａＮ膜厚をＳＥＭで測定した結果、膜厚は３．０μｍであり、ＧａＮの除去はできなかった。

（従来例２）
サファイア基板上に成膜した膜厚３．０μｍのＧａＮ結晶を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が１０００℃に到達した後、導入ガスを水素４２ｓｌｍとして１．０時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍに戻し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、ＳＥＭによる処理前後のＧａＮ膜厚を測定した結果、ＧａＮ膜はすべて除去されており、サファイア基板のみが残った。

（例７）
サファイア基板上に成膜した膜厚３．０μｍのＧａＮ結晶を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内が８００℃に到達した後、導入ガスを窒素４１．９５８ｓｌｍ＋塩素０．０４２ｓｌｍ（塩素系ガス濃度０．１体積％）として、１．０時間の処理を行った。その後、導入ガスを４２ｓｌｍに戻し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、ＳＥＭにより処理前後のＧａＮ膜を測定した結果、ＧａＮ膜は全て除去されており、サファイア基板のみが残った。

（例８）
サファイア基板上に成膜した膜厚３．０μｍのＧａＮ結晶を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内が８００℃に到達した後、導入ガスを窒素４１．９８９ｓｌｍ＋塩素０．０２１ｓｌｍ（塩素系ガス濃度０．０５体積％）として、１．０時間の処理を行った。その後、導入ガスを４２ｓｌｍに戻し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、ＳＥＭにより処理前後のＧａＮ膜を測定した結果、ＧａＮ膜は処理前後で約３０％が除去された。

（例９）
ＧａＮ結晶を成膜した直径１０ｃｍの石英ガラスを反応室に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が８００℃に達した後、導入ガスを窒素４１．５８ｓｌｍ＋塩素０．４２ｓｌｍ（塩素系ガス濃度１．０体積％）として、１．０時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍに戻し、反応炉内温度が室温となるまで冷却した。この処理を３０回おこなったのち、石英ガラスの熱変形を測定したが、処理前後での反り等の変化は認められなかった。

（従来例３）
ＧａＮ結晶を成膜した直径１０ｃｍの石英ガラスを反応室に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が１０００℃に達した後、導入ガスを水素４２ｓｌｍとして、１．０時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍに戻し、反応炉内温度が室温となるまで冷却した。この処理を３０回おこなったのち、石英ガラスの反りを測定した結果、１５０ミクロンの反りが観察された。

本発明の洗浄装置の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１・・反応室、２・・洗浄ガス導入管、３・・排出ガス排出管、４・・ヒータ、８・・容器、９・・容器、１０・・流量調節弁

Claims

ＧａＮやＡｌＧａＮを堆積させて半導体薄膜を成膜する、ガス流路を構成するフローチャネルを有する窒化物半導体製造装置から、汚染された石英ガラスからなる部品を取り外して、５００〜１０００℃以下の温度において、洗浄装置内で、塩素ガスを窒素で希釈したガスである洗浄ガスと接触させる窒化物半導体製造装置の洗浄方法であって、
前記部品には、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる汚染物が付着しており、
前記洗浄ガスは、塩素ガス濃度が０．１体積％以上１体積％以下であり、
前記部品に前記洗浄ガスを接触させる時間が１．０時間以下であることを特徴とする窒化物半導体製造装置の洗浄方法。
ＧａＮやＡｌＧａＮを堆積させて半導体薄膜を成膜する、ガス流路を構成するフローチャネルを有する窒化物半導体製造装置から、汚染された石英ガラスからなる洗浄対象部品を取り外して洗浄する窒化物半導体製造装置の洗浄装置であって、
洗浄ガス導入管と排出ガス排出管とを有する反応室と、
この反応室内に配置した前記洗浄対象部品を５００〜１０００℃の温度に保持できる加熱手段と、
洗浄ガス導入管に塩素ガスを窒素で希釈した塩素ガス濃度が０．１体積％以上１体積％以下のガスである洗浄ガスを、前記洗浄対象部品と前記洗浄ガスの接触時間を１．０時間以下にして送り込む洗浄ガス供給源を備え、
前記洗浄対象部品には、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる汚染物が付着していることを特徴とする窒化物半導体製造装置の洗浄装置。