JPH10335318A - 半導体製造装置のクリーニング方法 - Google Patents

半導体製造装置のクリーニング方法

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JPH10335318A
JPH10335318A JP14007297A JP14007297A JPH10335318A JP H10335318 A JPH10335318 A JP H10335318A JP 14007297 A JP14007297 A JP 14007297A JP 14007297 A JP14007297 A JP 14007297A JP H10335318 A JPH10335318 A JP H10335318A
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cleaning
gas
manufacturing apparatus
semiconductor manufacturing
thin film
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JP14007297A
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Kazuhiro Eguchi
和弘 江口
Masahiro Kiyotoshi
正弘 清利
Yoshitaka Tsunashima
祥隆 綱島
Katsuya Okumura
勝弥 奥村
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】化学気相成長法を用いてアルカリ度類金属を構
成元素に含む薄膜を形成する半導体製造装置を分解せず
にクリーニングする。 【解決手段】半導体製造装置の被クリーニング部の温度
を850℃以上にする昇温工程と、半導体製造装置内に
三弗化塩素ガスを導入する工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルカリ土類金属
を構成元素に含む薄膜を形成する半導体装置製造装置の
クリーニング方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の製造工程において、段差被
覆性に優れ,大面積に堆積可能な化学気相成長法による
薄膜の形成が広く用いられる。化学気相成長法では、薄
膜堆積時に被堆積基板以外にも堆積ガスに晒される反応
容器やその中に設置される治具等にも堆積物が付着す
る。そして、この堆積物が、応力や機械的刺激により剥
離し、剥離したダストが堆積中或いは搬送時に基板に降
りかかり、形成された薄膜の粒子汚染の原因になること
が問題となる。そのため、装置内に付着した堆積物をク
リーニングする必要がある。
【0003】クリーニング方法としては、スループット
を上昇させるため、装置を分解せずに行う方法が望まし
い。装置を分解せずにクリーニングする方法として、堆
積物を蒸気圧の高い物質に変えるクリーニング用のガス
を装置内導入して、堆積物をクリーニングする方法が用
いられている。
【0004】超大規模半導体集積回路に代表される新し
い半導体装置には、従来用いられていなかった新しい材
料が使われるようになってきており、化学気相成長法で
もこれらの新しい材料の薄膜を堆積する事が求められる
ようになってきている。新しい材料としては、DRAM
の電荷蓄積容量膜に用いられる高誘電率材料や強誘電体
不揮発性メモリの電荷蓄積膜に用いられる強誘電体材料
などが挙げられる。
【0005】半導体装置に使われる高誘電体材料にはチ
タン酸バリウムストロンチウム((Ba,Sr)TiO
3 :BST),チタンジルコン酸鉛(Pb(Zr,T
i)O3 :PZT)等が、強誘電体材料には、チタン酸
ストロンチウム(SrTiO3:STO),ビスマスス
トロンチウムタンタル酸化物(BiSr2 Ta29
等がある。
【0006】しかし、上記した材料を構成するSrやB
a等のアルカリ土類金属は、従来のクリーニング方法で
形成される化合物の蒸気圧が低いので、除去されないと
いう問題があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、アル
カリ土類金属を含む薄膜の形成に用いられる半導体製造
装置のクリーニングに際しては、装置を分解せずにクリ
ーニングする方法が無いという問題があった。本発明の
目的は、装置を分解することなく装置内の堆積物質を除
去することが可能な半導体製造装置のクリーニング方法
を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
[構成]本発明は、上記目的を達成するために以下のよ
うに構成されている。 (1) 本発明(請求項1)は、化学気相成長法を用い
てアルカリ土類金属を構成元素中に含む薄膜を形成する
半導体製造装置のクリーニング方法であって、前記半導
体製造装置の被クリーニング部を加熱する工程と、前記
半導体製造装置内にハロゲン或いはハロゲン化合物を含
むクリーニングガスを導入する工程とを含むことを特徴
とする。 (2) 本発明(請求項2)は、化学気相成長法を用い
てアルカリ土類金属を含む薄膜を形成する半導体製造装
置のクリーニング方法であって、前記半導体製造装置の
被クリーニング部の温度を750℃以上にする昇温工程
と、前記半導体製造装置内にハロゲン或いはハロゲン化
合物を含むクリーニングガスを導入する工程とを含むこ
とを特徴とする。
【0009】前記薄膜は、少なくともバリウムを含むこ
とが望ましい。 (3) 本発明(請求項4)は、化学気相成長法を用い
てストロンチウムを構成元素中に含む薄膜を形成する半
導体製造装置のクリーニング方法であって、前記半導体
製造装置の被クリーニング部の温度を850℃以上にす
る昇温工程と、前記半導体製造装置内にハロゲン或いは
ハロゲン化合物を含むクリーニングガスを導入する工程
とを含むことを特徴とする。 (4) 本発明(請求項5)は、化学気相成長法を用い
てチタン酸バリウムストロンチウム薄膜を形成する半導
体製造装置のクリーニング方法であって、前記半導体製
造装置の被クリーニング部の温度を850℃以上にする
昇温工程と、前記半導体製造装置内に三弗化塩素ガスを
導入する工程とを含むことを特徴とする。
【0010】(1)〜(3)に記載のクリーニングを、
薄膜の堆積を複数回行った後行うことが好ましい。 [作用]本発明は、上記構成によって以下の作用・効果
を有する。
【0011】被クリーニング部の温度を高温にし、クリ
ーニングガスとしてハロゲンを含むガスを用いることに
よって、薄膜堆積温度ではきわめて安定な物質も、一般
に蒸気圧の高いハロゲン化合物に形成することができ、
半導体製造装置のクリーニングが可能になる。
【0012】また、クリーニングガスとして特に三弗化
塩素のようなハロゲン間化合物を用いると高温で反応性
の高いラジカルが生成されて反応性が高くなり、クリー
ニング効果が大きくなる。
【0013】また、本発明を用いると比較的高速にクリ
ーニングが可態になるので、複数回化学気相成長を繰り
返してからクリーニングする事も可能になる。従って、
同じ条件で続けて複数枚の基板に薄膜成長させることが
できるので、基板間の特性のばらつきを最小限に抑える
事ができる。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に図面
を参照して説明する。 [第1実施形態]先ず、本発明のクリーニング方法を用
いてチタン酸バリウムストロンチウム(BST)薄膜に
対してエッチングを行い、本発明の効果を確認する予備
実験を行った。
【0015】本実施形態では、縦型ホットウォールバッ
チ炉に試験体を載置して実験を行った。図1は本発明の
第1実施形態に係わる縦型ホットウォールバッチ炉の概
略構成を示す模式図である。
【0016】石英製の反応容器11内に内管12が設置
され、内管12内には試験体21が載置された基板保持
治具22が収納される。反応容器11の外部に抵抗加熱
ヒータ13が設置されている。クリーニングガスを供給
するためのクリーニングガス供給系14が開閉バルブ1
5を介して内管12の下部に接続されている。また、反
応容器11に圧力調整バルブ17を介して真空ポンプ1
8が接続されている。また、真空ポンプ18の排気側
が、クリーニング時の排ガスを無害化して排気するため
のクリーニング用排ガス処理部19に接続されている。
【0017】なお、試験体21は、シリコン基板に熱酸
化法により形成された膜厚30nmの酸化シリコン上
に、スパッタリング法により膜厚10nmのBa0.5
0.5TiO3 膜が堆積されたものである。
【0018】実験の手順を以下に説明する。先ず、試験
体21が載置された基板保持治具22を内管12内に収
納する。次いで、圧力調整バルブ17を開け、真空ポン
プ18によって反応容器11内を排気する。そして、反
応容器11内を所定の圧力まで排気した後、反応容器1
1の外部に設けられた抵抗加熱ヒータ13を用いて試験
体21を所定温度まで加熱する。
【0019】次いで、開閉バルブ15を開け、クリーニ
ングガス供給系14から三弗化塩素ガスを1800sc
cm,窒素ガスを3200sccmの流量で内管12内
に導入して30秒〜2分間エッチングを行う。この時、
圧力調整バルブ17を調節して反応容器11内の圧力が
1〜3Torrになるよう調節する。
【0020】図2に、クリーニング温度に対するバリウ
ム,ストロンチウム及びチタンの各元素のエッチング速
度の温度依存性を示す。エッチング速度は、エッチング
前後の試験体21のBST膜中のバリウム、ストロンチ
ウム、チタンの含有量を誘導結合プラズマ発光分光法を
用いて測定し、その差から求めた。
【0021】図2に示すように、BST中のチタンは5
00℃以上でエッチングされる。一方、バリウムは約7
00〜750℃以上、またストロンチウムは約800℃
以上でエッチングされ、850℃以上になるとSrのエ
ッチング速度が急激に増大する。これは、エッチングガ
スである三弗化塩素が高温でラジカルになり、通常反応
しにくい材料と反応し、蒸気圧が比較的高い塩化物にな
って気体中に蒸発するためである。
【0022】また、実験後の基板を調べた結果、500
℃でエッチングしたものには、バリウム及びストロンチ
ウムの弗化物が残留している事が確認された。これはエ
ッチングガスである三弗化塩素中の弗素とBST中のバ
リウム及びストロンチウムとが反応するためである。一
方、800℃でエッチングした基板からは、弗化物は検
出されなかった。これは、高温では塩化物を生成する反
応が弗化物を生成する反応より強く働くことによるもの
考えられる。バリウム、ストロンチウムの弗化物は極め
て安定であるため、一度生成すると除去する事は困難で
あるので、クリーニングとしては弗化物が生成しないよ
うな高温で行うことが望ましい。
【0023】また、クリーニングガスとして塩素ガス若
しくはフッ素ガスを用いて実験を行ったところ、バリウ
ム及びストロンチウムはエッチングされないことが確認
された。
【0024】また、化学気相成長法で成膜されたBST
膜に対して同様な実験を行った。試験体として前述のス
パッタリングで成膜されたBST膜の代わりに化学気相
成長法で成膜されたBST膜を用いたほかは、試験体の
厚さ,エッチング条件等の実験条件を前述のものと全く
同じにした。BST膜の堆積用材料としては、ビス2,2,
6,6 −テトラメチル−3,5 −ヘプタンダイオネートバリ
ウム(Ba(THD)2 ),ビス2,2,6,6 −テトラメチ
ル−3,5 −ヘプタンダイオネートストロンチウム(Sr
(THD)2 ),ビス2,2,6,6 −テトラメチル−3,5 −
へプタンダイオネートチタン酸TiO(THD)2 ),
酸素ガス及び希釈用のアルゴンガスを用いた。実験の結
果は前述したスパッタリング膜を用いた場合と全く同じ
であった。
【0025】以上説明したように、被クリーニング部を
高温にし、ハロゲンを含むクリーニングガスを装置内に
導入することによって、アルカリ土類金属を含む堆積物
がクリーニングされることが確認された。
【0026】[第2実施形態]第1実施形態でBST膜
が三弗化塩素ガスを用いてエッチングされる事が確認さ
れたので、本実施形態では実際にCVD装置に本発明の
クリーニング方法を適用した場合について説明する。
【0027】図3は、本発明の第2実施形態に係わるC
VD装置の概略構成を示す模式図である。このCVD装
置は、第1実施形態に用いたホットウォールバッチ炉に
膜堆積用の構成を加えた構成である。そのため、図1と
同一な部分には同一符号を付し、その詳しい説明を省略
する。
【0028】以下に膜堆積用のために付け加えられた構
成を説明する。成膜用のガスを供給する膜堆積用供給系
31が開閉バルブ32を介して内管12の下部に接続さ
れている。膜堆積時の排ガスを無害化して排気するため
の膜堆積用排ガス処理部34が、開閉バルブ35を介し
て、真空ポンプ18に接続されている。真空ポンプ18
とクリーニング用排ガス処理部19との間に開閉バルブ
36が介挿されている。
【0029】先ず、基板23を基板保持治具22に搭載
し、反応容器11内に導入する。基板23は、シリコン
基板に熱酸化法により形成された100nm酸化シリコ
ン上にスパッタリング法でルテニウムを50nm堆積し
たものである。
【0030】次いで、基板保持治具22に搭載した基板
23を導入した後、圧力調整バルブ17を開けて、真空
ポンプ18で反応容器11内を排気し、基板23を加熱
するため抵抗加熱ヒータを動作させる。
【0031】反応容器11内が十分に排気され、基板2
3の温度が460℃になったら、開閉バルブ32を開
け、膜堆積用ガス供給系31から膜堆積用ガスを内管1
2に導入する。膜堆積用ガスの導入と同時に、反応容器
11内の圧力が、1Torrになるように圧力調整バル
ブ17の開度を調整する。
【0032】本実施形態での膜堆積の材料は、Ba(T
HD)2 ,Sr(THD)2 ,TiO(THD)2 ,O
2 及び希釈用のArガスである。各原料ガスの流量は堆
積する膜の組成がBa0.5 Sr0.5 TiO3 になるよう
に調整されている。膜堆積時には、開閉バルブ15は閉
じられており、クリーニングガス供給系14からクリー
ニングガスが反応容器11内に導入されないようにす
る。また、開閉バルブ35を開け、開閉バルブ36を閉
じる事により、排気ガスを膜堆積用排ガス処理部34に
導き無害化して排出する。
【0033】1時間の膜堆積を行う事により基板23上
に膜厚20nmのBST膜が形成される。BST膜の堆
積は、開閉バルブ32を閉じ、膜堆積用ガスが反応容器
11内に導入されなくすることで終了する。堆積終了
後、反応容器11内の残留ガスを排除するため、真空排
気する。十分に排気した後、反応容器11内を常圧に戻
し、基板23を取り出す。BST膜堆積後,反応容器1
1,内管12及び基板保持治具22にチタン、バリウ
ム、ストロンチウム、及び酸素を含む膜の堆積が認めら
れた。
【0034】次に、装置のクリーニングを行う。先ず、
真空ポンプを用いて反応容器11内を排気する。抵抗加
熱ヒータ13を用いて被クリーニング部である反応容器
11,内管12及び基板保持治具22をクリーニングに
必要な温度に加熱する。本実施形態では900℃とし
た。次に開閉バルブ15を開ける事により、クリーニン
グガスを反応容器11内に導入しクリーニングを行う。
クリーニング時、圧力調整バルブ17を調節して反応容
器11内の圧力が1Torrになるよう調節する。
【0035】クリーニングガスには三弗化塩素ガスと窒
素ガスの混合ガスを用いた。なお、クリーニング時に
は、開閉バルブ32を閉じて膜堆積ガス供給系31から
膜堆積用のガスが反応容器11に導入されないようにし
ているのはもちろん、開閉バルブ36を開け、開閉バル
ブ35を閉じて排気ガスをクリーニングガス用排ガス処
理部19に導く。
【0036】クリーニングを20分行った結果、反応容
器11,内管12及び基板保持治具22に付着していた
堆積物は完全に除去された。また、石英からなる反応容
器11,内管12及び基板保持治具22には、クリーニ
ングガスによる損傷は認められなかった。その後、新た
な基板を用いてBST薄膜の堆積を行い、堆積後の粒子
汚染をパーティクルカウンタを用いて調べた結果、最初
の処理基板と大差はなく、粒子汚染はほとんど見られな
かった。
【0037】以上説明したように、本発明のBST膜の
化学気確堆積後のクリーニングが可能な事が確認され
た。また、発明者らは、クリーニング速度の被クリーニ
ング部の温度依存性を調べたところ、低温ではクリーニ
ング時間は長くかかるものの、クリーニングは800℃
以上の温度で可能な事が確認された。
【0038】また、三弗化塩素以外のハロゲンを含むガ
スでクリーニングを行った結果、ガスの種類によりクリ
ーニングに要する時間は変わるもののクリーニングは可
能である事が確認された。
【0039】[第3実施形態]第2実施形態と同様に、
化学気相成長法を用いて酸化ストロンチウムビスマスタ
ンタル(SrBi2 Ta29 )を成膜した後、CVD
装置のクリーニングを行った。
【0040】使用した装置は第2実施形態と同様であ
る。第2実施形態と異なるのは、薄膜堆積用の材料とし
てSr(THD)2 ,オリフェニルビスマス(Bi(C
663 ),ペンタエトキシドタンタル(Ta(OC2
55 )及びO2 を用いたことと、成膜温度を70
0℃にしたことである。その他の手順は、第2実施形態
と全く同じである。
【0041】この場合も第2実施形態と同様に、膜堆積
時に、反応容器11,内管12及び基板保持治具22に
付着した物質を三弗化塩素ガスによるクリーニングで装
置の損傷無く完全に除去する事ができた。その結果、ク
リーニング後に化学気相成長を行った基板の粒子汚染は
ほとんどなかった。
【0042】[第4実施形態]次に、化学気相成長1回
毎にクリーニングするのではなく、複数回の成長を行っ
た後クリーニングを試みた。薄膜堆積条件、クリーニン
グ条件は第2実施形態と同じである。ただし、厚さ20
nmのBST膜の成膜をクリーニングすることなく50
回繰り返し行った。その後、第2実施形態と同じ手順で
クリーニングを実施した。
【0043】複数回の堆積を行った場合は、付着物の厚
さも厚くなっているため、クリーニングに要する時間は
長くなったが、この場合も完全に付着物を除去する事が
できた。また、クリーニング後に形成された薄膜には粒
子汚染が無い事もパーティクルカウンタによって確認さ
れた。
【0044】同様な実験をSrBi2 Ta29 膜を成
膜するためのCVD装置につていも行ったが、全く問題
無くクリーニングする事ができた。クリーニングするま
でに可能な薄膜堆積回数は、堆積する物質や厚さによっ
て異なるが、付着した物質がはがれて基板を汚染しない
取り多くの回数の薄膜堆積が可能である。
【0045】[第5実施形態]本実施形態では、枚葉式
CVD装置に本発明のクリーニングを適用した例につい
て説明する。
【0046】図4は、枚葉式CVD装置の概略構成を示
す模式図である。この枚葉式CVD装置は、反応容器4
1以外のガス供給系及び排気系は、第2実施形態に用い
た装置と同様の構成である。そのため、図3と同一な部
分には同一符号を付し、その詳しい説明を省略する。
【0047】本実施形態の反応容器41内では、抵抗加
熱ヒータ42上の基板保持治具43を介して基板23が
加熱される。そのため、先の実施形態のような反応容器
外部から基板を加熱するのではなく、反応容器内で基板
を加熱するため、成膜時の反応容器41の内壁の温度は
低いの特徴である。
【0048】先ず、このCVD装置を用いてBST薄膜
の堆積を行ったところ、堆積時に高温になる部分は、基
板23及び抵抗加熱ヒータ42及び基板保持治具43の
みなので、堆積物もこれらの部分に限られ、他の温度の
低い部分には堆積物はほとんどなかった。
【0049】薄膜堆積後、三弗化塩素ガスを用いてクリ
ーニングを行った結果、付着物は完全に除去され、それ
以降の薄膜堆積時の粒子汚染はなかった。また、Sr2
Bi2 Ta29 についても薄膜堆積、クリーニングが
問題無くできることが確認された。また、第4実施形態
と同様に、薄膜堆積を複数回行っても問題無くクリーニ
ングできる事が確認された。
【0050】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば、チタン酸バリウムストロンチ
ウム膜と酸化ビスマスストロンチウムタンタル膜の場合
について説明したが、チタン酸バリウム、チタン酸スト
ロンチウム、ストロンチウムルテニウム酸化物、酸化物
高温超伝導体などストロンチウムやバリウム等のアルカ
リ度類金属を含む物質を形成するCVD装置に対してク
リーニングを行っても、全く同等の効果を発揮する。
【0051】また、上記実施形態では、850℃以上の
温度でクリーニングを行っていたが、ストロンチウム以
外のアルカリ土類金属を含む薄膜であれば、750℃以
上でクリーニングを行うことが可能である。
【0052】また、クリーニングガスとして三弗化塩素
を用いていたが、ラジカルが有効に作用するという本発
明の原理により、三弗化塩素以外のハロゲン、ハロゲン
間化合物などハロゲンを含むガスでも同じ効果が発揮で
きる事は言うまでもない。その他、本発明は、その要旨
を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能
である。
【0053】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
クリーニング部の温度を700℃にし、クリーニングガ
スとしてハロゲンを含むガスを用いることによって、極
めて安定なアルカリ度類金属を、一般に蒸気圧の高いハ
ロゲン化合物に形成することができるので、装置を分解
することなく半導体製造装置のクリーニングが可能にな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係わる縦型ホットウォールバッ
チ炉の概略構成を示す模式図。
【図2】本発明のクリーニング効果の温度依存性を示す
特性図。
【図3】第2実施形態に係わるCVD装置の概略構成を
示す模式図。
【図4】第5実施形態に係わる枚葉式CVD装置の概略
構成を示す模式図。
【符号の説明】
11…反応容器 12…内管 13…抵抗加熱ヒータ 14…クリーニングガス供給系 15…開閉バルブ 17…圧力調整バルブ 18…真空ポンプ 19…クリーニング用排ガス処理部 21…試験体 22…基板保持治具 23…基板 31…膜堆積ガス供給系 32…開閉バルブ 34…膜堆積用排ガス処理部 35…開閉バルブ 36…開閉バルブ 41…反応容器 42…抵抗加熱ヒータ 43…基板保持治具
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 勝弥 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】化学気相成長法を用いてアルカリ土類金属
    を構成元素中に含む薄膜を形成する半導体製造装置のク
    リーニング方法であって、 前記半導体製造装置の被クリーニング部を加熱する工程
    と、 前記半導体製造装置内にハロゲン或いはハロゲン化合物
    を含むクリーニングガスを導入する工程とを含むことを
    特徴とする半導体製造装置のクリーニング方法。
  2. 【請求項2】化学気相成長法を用いてアルカリ土類金属
    を構成元素中に含む薄膜を形成する半導体製造装置のク
    リーニング方法であって、 前記半導体製造装置の被クリーニング部の温度を750
    ℃以上にする工程と、 前記半導体製造装置内にハロゲン或いはハロゲン化合物
    を含むクリーニングガスを導入する工程とを含むことを
    特徴とする半導体製造装置のクリーニング方法。
  3. 【請求項3】前記薄膜は少なくともバリウムを含むこと
    を特徴とする請求項2に記載の半導体製造装置のクリー
    ニング方法。
  4. 【請求項4】化学気相成長法を用いてストロンチウムを
    構成元素中に含む薄膜を形成する半導体製造装置のクリ
    ーニング方法であって、 前記半導体製造装置の被クリーニング部の温度を850
    ℃以上にする工程と、 前記半導体製造装置内にハロゲン或いはハロゲン化合物
    を含むクリーニングガスを導入する工程とを含むことを
    特徴とする半導体製造装置のクリーニング方法。
  5. 【請求項5】化学気相成長法を用いてチタン酸バリウム
    ストロンチウム薄膜を形成する半導体製造装置のクリー
    ニング方法であって、 前記半導体製造装置の被クリーニング部の温度を850
    ℃以上にする工程と、 前記半導体製造装置内に三弗化塩素ガスを導入する工程
    とを含むことを特徴とする半導体製造装置のクリーニン
    グ方法。
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JP (1) JPH10335318A (ja)

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