JPH0822981A

JPH0822981A - 減圧ｃｖｄ装置のクリーニング方法

Info

Publication number: JPH0822981A
Application number: JP18094894A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Sakama; 光範坂間; Takeshi Fukada; 武深田; Hiroyuki Shimada; 浩行島田; Yasuhiko Takemura; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1994-07-07
Filing date: 1994-07-07
Publication date: 1996-01-23
Anticipated expiration: 2015-08-21
Also published as: JP3078707B2

Abstract

(57)【要約】【目的】減圧ＣＶＤ装置において、効果的にプラズマ
クリーニングをおこなう方法を提供する。【構成】減圧ＣＶＤ装置において、チャンバーの周囲
にプラズマを発生させるための電極を設けて、該電極に
低周波（周波数、１ｋ〜１ＭＨｚ）によって振幅変調し
た高周波（周波数、１０〜１００ＭＨｚ）を極低周波
（周波数、１〜２００Ｈｚ）の繰り返し周波数でパルス
変調したものを印加することによって、プラズマを発生
させ、クリーニングをおこなう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、減圧（ＬＰ）ＣＶＤ装
置のクリーニング方法およびその目的に適した減圧ＣＶ
Ｄ装置の構造に関する。特に本発明はチャンバー（反応
管）のクリーニングを効果的におこなうことによって、
生産性の向上を図ることを目的とし、このような目的に
適合した減圧ＣＶＤ装置のクリーニング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路や薄膜トランジス
タ等の半導体装置の製造における、単結晶シリコン半導
体プロセス、多結晶シリコン半導体プロセスにおいて、
熱酸化法や熱分解による気相成長法（熱ＣＶＤ法）、特
に、チャンバー内部を減圧にしておこなう減圧気相成長
法（ＬＰＣＶＤ法）がおこなわれている。このＬＰＣＶ
Ｄ法によって作製された結晶性を有するシリコン膜、酸
化シリコン膜は緻密で膜質の優れたものが得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＬＰＣＶＤ法では、チ
ャンバー（反応管）内部に基板を設置し、原料ガスの雰
囲気において、基板のみあるいはチャンバーごと分解温
度まで加熱することによって成膜をおこなうものであ
る。理想的には基板のみで成膜がおこなわれることが望
ましいのであるが、ＬＰＣＶＤ法では成膜反応は原料ガ
スが接するチャンバー（反応管）の内壁においてもおこ
なわれている。つまり、原料ガスが接するところ全てに
おいて堆積物が形成されている。そのため、何度か成膜
をおこなうとチャンバーの内壁、サセプター等にかなり
の堆積物が生じてくる。特に、ホットウォール型ＬＰＣ
ＶＤ法においては顕著にその影響が現れていた。

【０００４】このように、チャンバーの内壁、サセプタ
ー等にかなりの堆積物が生じてくると堆積物が次第に剥
離し始めて、フレーク（チャンバーからの剥離したダス
ト）が発生し、基板に落下したフレークによって膜質が
悪くなることが問題となっていた。また、このようにチ
ャンバー内壁等に堆積物が生じてくると、熱伝導率が異
なってきて熱伝導の分布が変化して、成膜速度や堆積物
の分布といった成膜の際の条件が微妙に変化していると
いった問題があった。

【０００５】そのため、何度か成膜をおこなう度にチャ
ンバーの内部をクリーニングする必要があった。従来に
おいて、ＬＰＣＶＤ装置のチャンバークリーニングはウ
エットエッチングによっておこなわれていた。このウエ
ットエッチングは装置を分解して作業する必要があっ
た。また、ウェットエッチングの際には、誤ってチャン
バーを破壊するリスクもあった。

【０００６】加えて、ウエットエッチングをおこなうと
チャンバーや石英反応管、サセプター等が著しくオーバ
ーエッチされ、ウェトエッチングの回数が増加すると、
これらの交換が必要であった。これらの理由からクリー
ニングの頻度は極めて低かった。このように、クリーニ
ングの間隔が極めて長いため、クリーニングの前後では
チャンバー内壁に付着していた被膜の厚さが大きく異な
った。このため、クリーニング直前と直後にはチャンバ
ー内の温度分布等が大きく異なり、成膜速度や膜質に大
きな違いが見られた。このため、エッチングをおこなっ
た後には必ず複数回の成膜をおこなって、条件だしをお
こなう必要があった。これらのようなことは、製造工程
上かなりのロスとなり、生産性を考慮した場合好ましい
ものではなかった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、チャンバー内
部にプラズマを発生させて、チャンバー内壁その他のド
ライエッチングをおこない、これによってチャンバー内
部のクリーニング（プラズマクリーニング）をおこなう
ものである。しかも、プラズマを発生させるための誘導
電極に投入する交流としては高周波を用い、かつ、この
とき用いられる高周波は１ｋＨｚ〜1 ＭＨｚの低周波で
振幅変調されたもので、なおかつ、１〜２００Ｈｚの極
低周波の繰り返し周波数でパルス変調されたものを用い
ることによって、効果的にチャンバー内部のクリーニン
グをおこなうものである。ここで用いられる高周波とし
ては１０〜１００ＭＨｚ、好ましくは、１０〜５０ＭＨ
ｚとする。

【０００９】

【作用】これらの周波数のうち、低周波は、エッチング
ガス分子の会合（分子間の弱い結合）を分断するのに寄
与し、チャンバー内のエッチングガス分子の濃度差の均
一性を向上させる上で効果がある。また、高周波は、エ
ッチングガスの分子内結合を分断するのに寄与して、イ
オン活性種（ラジカル）を発生せしめる。また、極低周
波によってパルス変調すると、エッチングの均一性が向
上する。その理由は明らかではないが、上述の如く、極
長波以外の電磁波によって、励起されたイオン活性種
が、パルス放電によって、瞬間的にチャンバー内壁にま
で到達し、これをエッチングするためであろうと推測さ
れる。本発明では、定常的な放電を用いたエッチングに
比較して、プラズマの回り込みが良好であり、エッチン
グ残りが少ないことが特色であった。

【０００８】パルス放電の周期を表すものとしてｄｕｔ
ｙ比が用いられる。ｄｕｔｙ比とは、（放電時間／（放
電時間＋休止時間））を示すものである。例えば、パル
ス周波数１００Ｈｚでｄｕｔｙ比を１０％としたパルス
放電の場合は、１ｍｓｅｃの放電と９ｍｓｅｃの休止と
を繰り返す放電形態となる。

【０００９】放電が休止している状態のときプラズマの
発生がおこなわれていないので、このときのｄｕｔｙ比
によってエッチングの状態が制御される。つまり、この
ｄｕｔｙ比を最適化することによって、エッチングガス
が基板に吸着する以前の成膜空間中における反応を制御
することができる。このｄｕｔｙ比は１０〜７０％が好
ましい。最適のｄｕｔｙ比は、エッチングガスの種類、
エッチングガスの流量や、電極間の距離に応じて決定す
ればよい。

【００１０】図４に本発明に用いる高周波の発生装置お
よび高周波の強度の様子を示す。図４に示すの本発明で
用いるのに適した高周波電力の発生装置に関するもので
あるが、図４に示された構成以外の装置によっても同様
な高周波を発生できることは言うまでもない。図４
（Ａ）は高周波発生装置であり、図４（Ｂ）は各段階に
おける高周波の様子を示す。高周波発振器１によって発
生した正弦高周波（例えば、周波数１３．５６ＭＨｚ）
は、図４（Ｂ）のａのような波形である。このような高
周波は次段の振幅変調器（ＡＭ変調器）４におくられ
る。振幅変調器４としては、増幅率を外部の信号によっ
て変化できる高周波増幅器を用いればよい。

【００１１】一方、低周波発振器２からは正弦低周波
（例えば、２００ｋＨｚ）が発生し、これは振幅変調器
４に送られる。そして、振幅変調器４では低周波信号に
応じて、高周波が振幅変調される。振幅変調器４からの
出力波形は図４（Ｂ）のｂのようになる。上記の振幅変
調の過程において、変調率は５０％以上あることが好ま
しかった。しかしながら、高調波成分の発生を防止する
ため、１００％以上の過変調は避けると良い。さらに、
パルス発振器３からは極低周波（例えば、５０Ｈｚ）の
パルスが発生し、パルス変調器５において、高周波電力
のオン／オフがおこなわれる。このようにして発生した
高周波電力は図４（Ｂ）のｃに示したような網形であ
る。パルスのオン／オフの境界部分を拡大したものは同
図ｃ’のようになる。

【００１２】

【実施例】

〔実施例１〕図１に本発明の概略を示す。本実施例は、
本発明を備えたホットウォール型ＬＰＣＶＤ装置におい
て、多結晶シリコン膜の成膜後にプラズマクリーニング
をおこなう例である。

【００１５】図１において、縦型の真空容器１０１（石
英反応管）内に基板１０３を設置する石英ボード１０２
が複数存在している。石英ボード１０２はバッチ式であ
り、複数枚の基板を設置できるようになっている。石英
反応管１０１には、反応管１０１内部を減圧せしめるた
めの真空系１０４、そして、原料ガスを導入するガス導
入系１０５が備えつけてある。そして、石英反応管１０
１の周囲は、基板１０３を加熱し、熱分解するためのヒ
ーター１０６が取りついている。

【００１６】また、そのヒーター１０６の内側には、プ
ラズマクリーニングをおこなうためのプラズマを発生さ
せるために、コイル状の誘導電極１０７が設けられてい
る。そして、この誘導電極１０７には交流を供給するた
めの高周波電源が設けられている。ここで使用される誘
導電極１０７には、低周波（１ｋ〜１ＭＨｚ）で振幅変
調された高周波（１０〜１００ＭＨｚ）の極低周波（１
〜２００Ｈｚ）の繰り返し周波数のパルス電力が投入さ
れる。高周波電源においては、高周波発振器１０８、低
周波発振器１０９、極低周波パルス発振器１１０と、振
幅変調器１１２、パルス変調器１１３が設けられてい
る。

【００１７】本実施例においては、本装置によって多結
晶シリコン膜を成膜するごとにプラズマクリーニングを
おこなった。基板上における多結晶シリコン膜の膜厚は
1000Åとした。このとき、プラズマを発生させるために
供給した交流は、それぞれ、極低周波パルスとして５０
Ｈｚの矩形パルス、低周波として２００ｋＨｚ、高周波
として１３．５６ＭＨｚを使用した。また、ここで極低
周波のパルス放電はｄｕｔｙ比が５０％となるようにお
こなった。

【００１８】また、このときプラズマクリーニングのた
めのエッチングガスとしてＣＦ₄、ＳＦ₆、ＮＦ₃、の
うちから選ばれた少なくとも１種類を使用できるが、本
実施例においてはＣＦ₄を用いた。以上の条件において
チャンバーを減圧し、エッチングガスを導入してプラズ
マを発生させてプラズマクリーニングをおこなった。こ
の場合、石英反応管内のクリーニングに要した時間は１
分〜５分程度であった。また、このとき、プラズマが均
一に発生して、最小限のオーバーエッチングで済んだた
め、効果的にエッチングがおこなわれた。さらに、本実
施例において、成膜毎、５回毎および１０回毎にプラズ
マクリーニングをおこない比較した。この結果、成膜す
る回数によって堆積物が比例的に増加するため、一度の
クリーニングに要する時間も比例的に増加した。また、
エッチングの均一性も悪化する傾向が認められた。

【００２０】さらに、このようにクリーニングをおこな
う間隔を変化させて、繰り返し成膜をおこなった場合に
おける成膜速度や成膜した膜の膜厚の分布の変化につい
て調べたところ、クリーニングをおこなう間隔が長いほ
ど成膜速度や膜厚の分布に乱れが生じることが分かっ
た。このことは、堆積物によって熱伝導にばらつきが生
じるために、反応の状態に変化が生じてくるためと考え
られる。このことから、クリーニングの間隔を短くして
頻繁におこなうことによって安定した成膜がおこなえる
ことが判明した。

【００２１】一方、同じ装置を用いて同様に多結晶シリ
コン膜の成膜をおこない、比較のために、１３．５６Ｍ
Ｈｚの放電のみをおこなった。この場合のクリーニング
に要した時間は、それぞれにおいて、１０分〜１時間程
度であった。エッチングが不均一であるため全体のエッ
チングが完了するまでに時間がかかった。また、このエ
ッチングの不均一性のため、成膜とプラズマクリーニン
グを繰り返し実施すると、膜の均一性が損なわれること
が認められた。以上のように、本発明のように高周波低
周波で振幅変調し、かつ、それを極低周波の繰り返し周
波数でパルス放電させることが、プラズマクリーニング
をおこなうのに効果的であった。

【００２５】本実施例から明らかではあるが、プラズマ
クリーニングは、従来のウェットエッチングとくらべて
容易に実施することができる。そのため、従来のように
ある程度の厚さの堆積物が生じてからクリーニングをお
こなうのではなく、本実施例のように成膜毎にクリーニ
ングをおこなうことが可能である。成膜毎にクリーニン
グをおこなうことは面倒なようにも思えるが、クリーニ
ングに要する時間は数分であり、本実施例のように多数
の基板を一度に処理できるバッチ式の装置においては問
題とならない。また、このクリーニングをおこなって堆
積物を除去しておけば、時間の短縮だけではなくチャン
バー内部に堆積物がない状態で成膜できるため、毎回同
じ条件で成膜することができて安定した成膜が可能とな
る。

【００２６】〔実施例２〕図２に本発明の概略を示す。
本実施例は、本発明を備えたコールドウォール型ＬＰＣ
ＶＤ装置において、多結晶シリコン膜の成膜後にプラズ
マクリーニングをおこなう例である。

【００２７】図２において、真空容器２０１（チャンバ
ー）内に基板２０２を設置するサセプター２０３が存在
している。サセプター２０３には１枚、もしくは数枚の
基板が設置できるようになっている。なお、サセプター
２０３には基板を加熱し、熱分解をおこなうためのヒー
ター２０４が設置されている。また、チャンバー２０１
には、チャンバー２０１内部を減圧せしめるための真空
系２０５、そして、原料ガスを導入するガス導入系２０
６が備えつけてある。

【００２８】そして、チャンバー２０１の周囲には、チ
ャンバー２０１を冷却するために水冷管２０７が付いて
いる。そしてその周囲には、プラズマクリーニングをお
こなうためにプラズマを発生させるための誘導電極２０
８が設けられている。この誘導電極２０８は、図３に示
すように、チャンバー２０１の周囲を囲むように数本、
本実施例においては６本設置されている。この誘導電極
２０８の数はチャンバー２０１の大きさによって異なっ
てくる。

【００２９】そして、この誘導電極２０８には交流を供
給するための交流電源が設けられている。このとき、電
極の構成として電極間を接続し、一つの交流電源によっ
て交流を供給してもかまわないし、また、電極それぞれ
独自に交流電源を備えていてもかまわない。各電極間に
適当な位相差を設定してもよい。本実施例においては誘
導電極２０８には、低周波（１ｋ〜１ＭＨｚ）で振幅変
調された高周波（１０〜１００ＭＨｚ）の極低周波（１
〜２００Ｈｚ）の繰り返し周波数のパルス電力が投入さ
れる。交流電源においては、高周波発振器２０９、低周
波発振器２１０、極低周波パルス発振器２１１と、振幅
変調器２１２、パルス変調器２１３が設けられている。

【００３０】本実施例においては、実施例１とは異な
り、多結晶シリコン膜の成膜を２０〜４０回おこなった
後に、プラズマクリーニングをおこなった。このように
頻度が少なくて済むのは、本実施例の減圧ＣＶＤ装置が
コールドウォール型であるため、チャンバー内壁に付着
する堆積物が実施例１のようなホットウォール型の装置
よりも少ないためである。

【００３１】本実施例では、上記の極低周波として１０
０Ｈｚ、低周波として３００ｋＨｚ、高周波として１
３．５６ＭＨｚを使用した。また、極低周波のパルス放
電はｄｕｔｙ比が１０％となるようにおこなった。ま
た、このときプラズマクリーニングのためのエッチング
ガスとしてＣＦ₄を用いた。この結果、実施例１と同様
に、１〜５分程度のクリーニングをおこなうことによっ
て、効果的にチャンバー内部の堆積物のエッチングをお
こなうことが出来た。

【００３２】

【発明の効果】本発明のように、低周波の振幅変調した
高周波の極低周波の繰り返し周波数によるパルス発振に
よって発生させたプラズマによって、プラズマクリーニ
ングすることによって、チャンバー内部およびサセプタ
ー周辺の堆積物を効率よく、短時間でエッチングするこ
とができる。また、本発明は従来のウエットエッチング
に比べて容易におこなうことが出来るため、頻繁にクリ
ーニングする事が可能となった。そのため、成膜する度
に、もしくは２〜３回毎にクリーニングをおこなってい
れば、堆積物による熱伝導のばらつきを抑えることがで
き、同じ条件での成膜をおこなうことが出来る。さら
に、本発明はクリーニングに要する時間の短縮、手間の
省略ばかりでなく、頻繁におこなうことによって常に一
定の膜質を維持することに対しても有効である。このよ
うに、本発明は生産性を上げるために有効で、工業上、
有益な発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の構成を示す。

【図２】実施例２の構成を示す。

【図３】実施例２の装置の上面図を示す。

【図４】本発明の高周波発生装置および発生した高周
波波形の例を示す。

【符号の説明】

１０１・・・石英反応管１０２・・・石英ボード１０３・・・基板１０４・・・排気系１０５・・・ガス導入系１０６・・・ヒーター１０７・・・誘導電極１０８・・・高周波交流電源１０９・・・低周波交流電源１１０・・・極低周波パルス電源１１２・・・振幅変調器１１３・・・パルス変調器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹村保彦神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】減圧ＣＶＤ装置のチャンバー周囲に設置
された、チャンバー内部にプラズマ放電を誘導する電極
を有し、前記電極に高周波電力を印加することによってプラズマ
を発生させて前記チャンバーに付着した被膜を除去する
方法において、高周波電力は極低周波の繰り返し周波数のパルスであ
り、かつ、低周波の振幅変調がなされていることを特徴
とする減圧ＣＶＤ装置のクリーニング方法。
【請求項２】減圧ＣＶＤ装置のチャンバー周囲に設置
された、チャンバー内部にプラズマ放電を誘導する電極
と、前記電極から極低周波の繰り返し周波数で高周波電力を
前記電極に作用させることによってプラズマを発生させ
ることによって、前記チャンバーに付着した被膜を除去
する方法において、前記高周波電力は低周波の振幅変調がかけられているこ
とを特徴とする減圧ＣＶＤ装置のクリーニング方法。
【請求項３】請求項１もしくは２において、極低周波は周波数が１〜２００Ｈｚ、低周波は周波数が
１ｋ〜１ＭＨｚ、高周波は周波数が１０〜１００ＭＨｚ
であることを特徴とする減圧ＣＶＤ装置のクリーニング
方法。
【請求項４】請求項１もしくは２において、エッチングガスとして、ＣＦ₄、ＳＦ₆、ＮＦ₃から選
ばれた少なくとも１種類を用いることを特徴とする減圧
ＣＶＤ装置のクリーニング方法。