JPH11158635A - 薄膜製造装置及びそのクリーニング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃ 膜の成膜を行う薄膜製
造装置を分解することなくクリーニングする。 【解決手段】（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃ 膜の堆積を行う反
応炉体１０１に、原料ガス供給部１０２，排気部１０
３，洗浄液供給部１０４，洗浄液排出部１０５及び熱媒
循環部１０６が接続されて構成されている。原料ガス供
給部１０２は、キャリアガスＡｒにより輸送されたＢ
ａ，Ｓｒ及びＴｉの原料ガス、並びに酸素を反応炉体１
０１に供給するためのものであり、洗浄液供給部１０４
は、反応炉体１０１内に硝酸を含むクリーニング液、及
びクリーニング液を除去するための純水を供給するため
のものである。また、洗浄液排出部１０５は、洗浄液を
反応炉体１０１の外部に排出するための機構である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルカリ金属，又
はアルカリ土類金属を含む薄膜を形成する薄膜形成装置
及びそのクリーニング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体記憶装置（ＤＲＡＭ）の高容量化
に伴い、加工寸法が微細化しキャパシタのセル面積も減
少してきている。セル面積が小さくなるにもかかわら
ず、１セル当たりのキャパシタ容量は、ビット線容量，
ソフトエラー又はリフレッシュ特性等の制約により減少
させることができない。そのため現在では、必要なキャ
パシタ容量を得るために、トレンチ型やスタック型の立
体キャパシタ構造を有するセルを用いて、必要なキャパ
シタ容量を得ている。

【０００３】ところが、１Ｇビット以降の世代のＤＲＡ
Ｍでは、立体キャパシタ構造がより複雑且つ微細にな
り、ＤＲＡＭの製造が極めて困難になることが予想され
ている。そこで、キャパシタ絶縁膜に誘電率の高い絶縁
膜を利用することが考えられている。現在、１Ｇビット
以降の世代のＤＲＡＭには、４００程度の比誘電率を有
する（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃ 膜が用いられると予想され
ている。しかし、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃ 膜をキャパシ
タ絶縁膜に用いても、必要なキャパシタ容量を得るため
には、立体キャパシタ構造を有するセルが必要となる。
そのため、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃ 膜等の高誘電率薄膜
の成膜には、段差被覆性に優れた気相成長成長（ＣＶ
Ｄ）法を用いる必要がある。

【０００４】気相成長反応法は、反応炉体内に導入され
た原料ガスを加熱した基体上で反応を起こさせて薄膜を
堆積させる。ところが、基板のみを加熱することは不可
能であり、基板ホルダや反応炉も同時に加熱され、成膜
時に基板ホルダや反応炉内壁等に反応生成物が付着して
しまう。これらの反応生成物はその応力や機械的刺激に
より反応炉内壁等から剥げてダストとなり、基板搬送時
等に基板表面に降りかかり、半導体装置の動作不良の原
因となることが懸念されている。そのため、基板ホルダ
や反応炉内壁に付着した反応生成物を定期的に除去しな
ければならない。

【０００５】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。

【０００６】ところが、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃ 膜のよ
うなアルカリ土類金属元素を含む薄膜の堆積を行う装置
の場合、その化合物の蒸気圧が低いためエッチング用ガ
スを用いて反応炉内をクリーニングすることが不可能で
あるという問題があった。

【０００７】一方、反応炉内をクリーニングする方法と
しては、反応炉体を分解して洗浄する方法があるが、装
置の分解、組み立てに時間が掛り、スループットの減少
を招き、製造される半導体装置のコストが高くなるとい
う問題があった。また、アルカリ金属を構成元素に含む
薄膜を製造する薄膜製造装置にも同様な問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、反応
炉内壁に付着したアルカリ土類金属を含む化合物は、そ
の蒸気圧が低いために、エッチング用のガスを導入する
ことによって、クリーニングすることができなかった。
そのため、反応炉内壁に付着したアルカリ土類金属をク
リーニングするために、反応炉体を分解して洗浄しなけ
ればならず、スループットの減少を招き、製造コストが
高くなるという問題があった。なお、本発明の目的は、
アルカリ土類金属元素等を含む薄膜の製造を行う薄膜製
造装置のクリーニングを反応炉体を分解することなく行
うことができ、スループットの向上を図り得る薄膜成長
装置のクリーニング方法及び薄膜成長装置を提供するこ
とにある。

【０００９】

【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、反応炉体内の基体上
に、アルカリ金属、又はアルカリ土類金属の少なくとも
一方を構成元素中に含む薄膜を化学気相成長法を用いて
形成する薄膜製造装置であって、前記反応炉体内に、硝
酸を含むクリーニング液を導入するクリーニング液供給
部と、前記反応炉体内に導入された前記クリーニング液
を排出するクリーニング液排出部とを具備してなること
を特徴とする。

【００１０】前記反応炉体の温度を調節する反応炉体温
度調節手段を具備してなる。前記反応炉体と、該反応炉
体に接続される被接続体との間の気密を保つためのシー
ル材が、前記クリーニング液に対して耐食性を有する材
料で構成されている。

【００１１】前記基体を加熱する基体加熱ヒータは、前
記クリーニング液に対して耐食性を有する材料で構成さ
れた基体ヒータ保護壁に覆われている。前記基体は、基
体ヒータ保護壁の上方に設けられ、回転可能な回転軸に
支持された基体ホルダ上に載置され、前記基体ホルダ及
び回転軸は、前記クリーニング液に対して耐食性を有す
る材料で構成されている （２） 本発明（請求項４）は、反応炉体内の基体上
に、アルカリ金属、又はアルカリ土類金属の少なくとも
一方を構成元素中に含む薄膜を化学気相成長法を用いて
形成する薄膜製造装置のクリーニング方法であって、前
記反応炉体内に、硝酸を含むクリーニング液を充填する
工程と、前記反応炉体内に前記クリーニング液を充填し
てから所定時間経過した後、前記反応炉体から該クリー
ニング液を排出する工程とを含む事を特徴とする。

【００１２】前記薄膜は、Ｂａ，Ｓｒ又はＣａのうち少
なくとも一つの元素を含むことを特徴とする。前記反応
炉内に導入された前記クリーニング液を排出した後、該
反応炉体を加熱することを特徴とする。

【００１３】［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。アルカリ土類金属を含む薄膜を
化学気相成長法を用いて形成する薄膜製造装置のクリー
ニングに、反応炉体内に硝酸を含む液体を導入すること
によって、装置の分解を行わずに反応炉体内壁の付着物
を効果的に除去することができる。

【００１４】従って、装置の分解を行わずにクリーニン
グを行うことができるので、スループットの低下を最小
限に抑えることができる。また、通常のエッチング用ガ
スは、有毒なものであるが、液体を使用することによっ
て、有毒ガスを使用する必要が無く、安全性が高められ
る。

【００１５】また、硝酸を含むクリーニング液を用いる
ことによって、反応炉体壁を腐食することなく反応炉体
内壁に付着した反応生成物を除去することができる。ま
た、反応炉体をクリーニングした後、反応炉体を加熱す
ることで、クリーニング液を蒸発させて除去することが
可能となり、クリーニング時間を短縮することが可能と
なる。

【００１６】

【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。以下の実施形態において、（Ｂ
ａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃ 膜をＤＲＡＭのキヤパシタ絶縁膜と
して成膜する薄膜製造装置のクリーニングについて説明
する。

【００１７】［第１実施形態］図１は、本発明の一実施
形態に係る薄膜製造装置の概略構成を示すブロック図で
ある。

【００１８】この薄膜製造装置は、薄膜の堆積を行うス
テンレス製の反応炉体１０１に、原料ガス供給部１０
２，排気部１０３，洗浄液供給部１０４，洗浄液排出部
１０５及び熱媒循環部１０６が接続されて構成されてい
る。

【００１９】原料ガス供給部１０２は、キャリアガスＡ
ｒにより輸送されたＢａ，Ｓｒ及びＴｉの原料ガス、並
びに酸素を反応炉体１０１に供給するためのものであ
り、排気部１０３は、反応炉体１０１内のガスを真空ポ
ンプによって排気するためのものである。

【００２０】洗浄液供給部１０４は、反応炉体１０１内
に硝酸を含むクリーニング液、及びクリーニング液を洗
浄除去するための純水を供給するためのものである。な
お、以下では、クリーニング液と純水をまとめて洗浄液
とする。また、洗浄液排出部１０５は、洗浄液を反応炉
体１０１の外部に排出するための機構である。また、熱
媒循環部１０６は反応炉体の壁を加熱、或いは冷却する
ための熱媒（オイル）を供給するための機構である。

【００２１】次に、反応炉体１０１の構成について説明
する。図２は、本発明の第１実施形態に係る薄膜製造装
置の反応炉体の概略構成を示す図である。反応炉体１０
１に、原料ガス導入用バルブ２１２が設けられた原料ガ
ス導入口２０２を介して原料ガス導入部１０２が接続さ
れている。反応炉体１０１に、排気用バルブ２１３が設
けられた排気口２０３を介して、排気部１０３が接続さ
れている。反応炉体１０１の下部に、洗浄液導入用バル
ブ２１４が設けられた洗浄液導入口２０４を介して洗浄
液供給部１０４が接続されている。

【００２２】以下に説明する部位は、洗浄液排出部の構
成である。反応炉体１０１の下部に、洗浄液排出用バル
ブ２１５が設けられた洗浄液排出口２０５が接続されて
いる。反応炉体１０１の上部に設けられた通気口２０６
に、窒素ガス導入用バルブ２１７が設けられた窒素ガス
導入ライン２０７を介して窒素ガスボンベ２２７が接続
されている。通気口２０６が、純水排出用バルブ２１８
が設けられた純水排出ライン２０８を介して、洗浄液排
出用バルブ２１５の洗浄液排気部１０５側の洗浄液排出
口２０５に接続されている。

【００２３】また、反応炉体１０１の外壁全体は、熱媒
ジャケット２２１で覆われている。熱媒ジャケット２２
１は熱媒循環部１０６に接続され、その内部に熱媒循環
部１０６から供給された熱媒を循環するための空間を有
している。

【００２４】表面に薄膜が形成される基板２２５は基板
ホルダ２２４上に固定され、ヒータが洗浄液や原料ガス
により腐食されることを防ぐことを目的とした石英製の
ヒータ保護壁２２３を介して基板加熱ヒータ２２２によ
り加熱できるようになっている。

【００２５】原料ガス導入口２０２，排気口２０３，洗
浄液導入口２０４，洗浄液排出口２０５，及びヒータ保
護壁２２３と反応炉体１０１との接続、並びに窒素ガス
導入ライン２０７及び純水排出ライン２０８と通気口２
０６との接続部に、外部との気密を保ち、かつ洗浄液に
腐食されないようにテフロン製シール材２２６が用いら
れている。

【００２６】通常、反応炉体と各パイプとを接続する
際、気密を保つためのシール材として、銅やアルミから
なるメタルガスケットが用いられている。しかし、メタ
ルガスケットは、硝酸を含む洗浄液に対してエッチング
されやすいので、気密が保持することができなくなる。
そのため、本装置では、硝酸に対してエッチされにくい
テフロン製シール材を用いている。

【００２７】次に、洗浄液供給部１０４について図３を
用いて説明する。洗浄液供給部１０４は、クリーニング
液タンク３０１と純水タンク３０２とから構成され、そ
れぞれのタンク３０１，３０２は、バルブ３０４，３０
６を介して加圧用窒素ガス導入ライン３０７に接続され
ており、クリーニング時にタンク３０３，３０４内をそ
れぞれ独立に加圧することができるようになっている。
また、それぞれのタンク３０１，３０２は、バルブ３０
３，３０５を介して洗浄液導入口２０４に接続されてい
る。バルブ３０３，３０５の開閉を選択することによ
り、クリーニング液又は純水の一方を反応炉内１０１に
供給することが可能な構成になっている。

【００２８】また、熱媒循環部１０６の構成について図
４を用いて説明する。熱媒循環部１０６は、熱媒を貯え
ておくためのタンク４０１に、熱媒を輪送するための圧
力を加えるためのポンプ４０２を介して熱媒加熱ヒータ
４０５が接続されている。熱媒タンク４０１に熱媒を冷
却するための熱交換器４０３が接続されている。熱交換
器４０３に、熱媒を冷却するための冷却水を供給する冷
却水供給ライン４０４が接続されている。

【００２９】ヒータ４０５のｏｎ−ｏｆｆを適宜選択す
ることにより、熱媒の温度を室温から２５０℃まですば
やく変化させることが可能であり、反応炉体１０１の壁
の温度をすばやく変えることが可能となる。

【００３０】次に、本装置の動作について説明する。化
学気相成長法により（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃ 膜を成膜す
る際、基板２２５が、基板加熱ヒータ２２２によって５
００℃に加熱される。また、反応炉体１０１は、原料ガ
スが凝集することを防止するため熱媒循環装置により２
５０℃に加熱される。そして、原料ガスを反応炉体１０
１内に供給することにより、基板２２５上に（Ｂａ，Ｓ
ｒ）ＴｉＯ₃ 膜を堆積させる。（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃
膜の成膜を１０００回程度行うと反応炉体１０１の内壁
に付着した反応生成物がダストとして剥がれ落ちやすく
なるため、クリーニングが必要となる。

【００３１】次に、本装置のクリーニング動作について
説明する。先ず、基板加熱ヒータ２２２をｏｆｆにする
とともに、熱媒循環部１０６の熱媒加熱ヒータ４０５を
ｏｆｆにする。そして、冷却水供給ライン４０４に冷却
水を流すことによって、冷却された熱媒を熱媒ジャケッ
ト２２１に供給することにより反応炉体１０１の温度を
５０℃以下にする。

【００３２】次いで、原料ガス導入用バルブ２１２と排
気用バルブ２１３を閉じる。そして、洗浄液導入用バル
ブ２１４を開け、洗浄液供給部１０４からクリーニング
液を反応炉体１０１内に導入する。

【００３３】なお、反応炉体１０１への洗浄液の供給
は、バルブ３０３，３０４を開け、クリーニング液タン
ク３０１内に加圧用窒素ガス導入ライン３０７から窒素
ガスを導入して、クリーニング液タンク３０１を加圧す
ることによって行われる。

【００３４】クリーニング液を反応炉１０１内に導入し
てから２分たった後、洗浄液供給部１０４のクリーニン
グ液タンク３０１に設けられたバルブ３０３，３０４、
並びに洗浄液導入用バルブ２１４を閉じる。そして、洗
浄液排出用バルブ２１５を開けるとともに、窒素ガス導
入用バルブ２１７を開け、窒素ガスボンベ２２７内の窒
素ガスを反応炉体１０１内に導入し、反応炉体１０１内
のクリーニング液を洗浄液排出口２０５から排出する。

【００３５】反応炉１０１内に導入された窒素ガスの量
が１００リットルになった時点で、窒素ガス導入用バル
ブ２１７と、洗浄液排出用バルブ２１５を閉じる。続い
て、純水排出用バルブ２１８を開けるとともに、洗浄液
供給部１０４の純水タンク３０２に接続されたバルブ３
０５，３０６を開け、洗浄液導入口２０４から純水を反
応炉体１０１内に導入する。

【００３６】この後、洗浄液導入口２０４から反応炉体
１０１に供給された純水は、通気口２０６，純水排出用
ライン２０８を経由して、洗浄液排出口２０５から排出
される。

【００３７】反応炉体１０１内に５０リットルの純水が
導入された時点で、洗浄液導入用バルブ２１４、並びに
純水タンク３０２に接続されたバルブ３０５，３０６を
閉じる。そして、純水排出用バルブ２１８を閉じ、窒素
ガス導入用バルブ２１７を開けることで、窒素ガスボン
ベ２２７内の窒素ガスを反応炉１０１に導入する。そし
て、洗浄液排出用バルブ２１５を開けることによって、
反応炉体１０１内の純水を洗浄液排出口２０５から排出
する。

【００３８】引き続いて、同様に、反応炉体１０１の中
に純水を導入する。反応炉体１０１内に純水を５０リッ
トル導入した時点で洗浄液導入用バルブ２１４及び純水
排出用バルブ２１８を閉じ、窒素ガス導入用バルブ２１
７を開けて反応炉体１０１内を加圧し、洗浄液排出用バ
ルブ２１５を開け純水を排出する。

【００３９】つまり、クリーニング液導入後、純水を導
入することによってクリーニング液のリンスを行うリン
ス工程を２度繰り返す。なお、洗浄液のリンス工程は２
回に限定されず、３回以上行うことも可能である。

【００４０】次に、反応炉体１０１内の水分を完全に排
除する。先ず、バルブ２１４，２１５，２１７，２１８
を閉じる。そして、原料ガス導入用及び排気用バルブ２
１２，２１３を開け、原料ガス導入口２０２よりＡｒガ
スのみ供給すると共に、反応炉１０１内のガスを排気口
２０３から排気する。

【００４１】さらに、熱媒循環部のヒータ４０５をオン
し、熱媒を２５０℃の温度に加熱する。そして、加熱さ
れた熱媒を熱媒ジャケット２２１内に送出して反応炉体
１０１を加熱し、反応炉体１０１壁表面の水分、及び反
応炉１０１の内壁に吸着した水分を蒸発させる。そし
て、反応炉内１０１を加熱してから１０分経過した後、
基板加熱ヒータ２２２を加熱し、３０分程度経過して基
板加熱ヒータ２２２が所定の一定温度に達した段階でク
リーニングが終了する。そして、基板を搬送、原料ガス
を供給することで再び成膜することが可能となる。

【００４２】なお、洗浄液について有機溶剤、水溶液で
も可能であるが、硝酸を含む水溶液を使用することで、
反応炉体壁を腐食することなく未反応原料、反応生成物
ともに効果的にクリーニングすることができる。

【００４３】また、硝酸の濃度は広範囲で実施可能であ
り、高濃度ほど、未反応原料等の除去が迅速に行われ
る。しかし３０％以上の濃度では、わずかに反応炉体壁
の腐食が起こることがあるため、長期間の実施には、硝
酸濃度５〜３０％の水溶液の使用が望ましい。

【００４４】［第２実施形態］基板回転機構を有する薄
膜製造装置について説明する。図５は、本発明の第２実
施形態に係わる薄膜製造装置の概略構成を示す図であ
る。なお、図２と同一部分には同一符号を付し、その説
明を省略する。

【００４５】本実施形態の特徴は、基板ホルダ５０２が
テフロン製基板回転軸５０１上に載置されおり、成膜時
に基板２２５を回転させて面内で均一な膜を形成するこ
とが可能となっていることである。そして、基板回転軸
５０１と反応炉体１０１との間は、テフロン製シール材
５０２によって気密が保たれている。また、基板２２５
を加熱するための基板加熱ヒータ２２２を内蔵する基板
加熱ヒータ保護壁２２３は、回転軸５０１を回避した位
置に設置されている。

【００４６】なお、基板加熱ヒータ保護壁２２３の配置
は、図６に示すような配置にすることも可能である。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、原料ガス供給部は、固体原料を昇華させキ
ャリアガスによって反応炉体内に導入する方法以外に
も、有機溶剤等の溶媒に固体原料を溶かしベーパライザ
に圧送し昇華させて反応炉体内に導入する方法を用いる
ことが可能である。

【００４７】また、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃ 膜の成膜を
行う薄膜製造装置に限らず、アルカリ金属、又はアルカ
リ土類金属の少なくとも一方を構成元素中に含む薄膜を
ＣＶＤ法を用いて形成する薄膜製造装置に対して、本発
明のクリーニング方法を適用することができる。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。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、反
応炉体の内壁に付着した反応生成物を硝酸を含むクリー
ニング液によって除去することで、装置を分解すること
なくクリーニングすることができ、スループットの向上
を図り得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係わる薄膜製造装置の構成を示
すブロック図。

【図２】図１の薄膜製造装置の反応炉体の概略構成を示
す図。

【図３】図１の薄膜製造装置の洗浄液供給部の概略構成
を示す図。

【図４】図１の薄膜製造装置の熱媒供給部の概略構成を
示す図。

【図５】第２実施形態に係わる薄膜製造装置の反応炉体
の構成を示す図。

【図６】図５の薄膜製造装置の基板加熱ヒータ保護壁の
配置構成を示す平面図。

【符号の説明】

１０１…反応炉体 １０２…原料ガス供給部 １０３…排気部 １０４…洗浄液供給部 １０５…洗浄液排出部 １０６…熱媒循環部 ２０２…原料ガス導入口 ２０３…排気口 ２０４…洗浄液導入口 ２０５…洗浄液排出口 ２０６…通気口 ２０７…窒素ガス導入ライン ２０８…純水排出ライン ２１２…原料ガス導入用バルブ ２１３…排気用バルブ ２１４…洗浄液導入用バルブ ２１５…洗浄液排出用バルブ ２１７…窒素ガス導入用バルブ ２１８…純水排出用バルブ ２２１…熱媒ジャケット ２２２…基板加熱ヒータ ２２３…基板加熱ヒータ保護壁 ２２４…基板ホルダ ２２５…基板 ２２６…テフロン製シール材 ２２７…窒素ガスボンベ ３０１…クリーニング液タンク ３０２…純水タンク ３０３〜３０６…バルブ ３０７…加圧用窒素ガス導入ライン ４０１…熱媒タンク ４０２…渦流ポンプ ４０３…熱交換器 ４０４…冷却水供給ライン ４０５…熱媒加熱ヒータ ５０１…テフロン製基板回転軸 ５０２…テフロン製シール ５０３…基板ホルダ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】反応炉体内に載置された基体上に、アルカ
   リ金属、又はアルカリ土類金属の少なくとも一方を構成
   元素中に含む薄膜を化学気相成長法を用いて形成する薄
   膜製造装置であって、 前記反応炉体内に、硝酸を含むクリーニング液を導入す
   るクリーニング液供給部と、 前記反応炉体内に導入された前記クリーニング液を排出
   するクリーニング液排出部とを具備してなることを特徴
   とする薄膜製造装置。
2. 【請求項２】前記基体を加熱する基体加熱ヒータは、前
   記クリーニング液に対して耐食性を有する材料で構成さ
   れた基体ヒータ保護壁に覆われていることを特徴とする
   請求項１に記載の薄膜製造装置。
3. 【請求項３】前記基体は、前記基体ヒータ保護壁の上方
   に設けられ、回転可能な回転軸に支持された基体ホルダ
   上に載置され、 前記基体ホルダ及び回転軸は、前記クリーニング液に対
   して耐食性を有する材料で構成されていることを特徴と
   する請求項２に記載の薄膜製造装置。
4. 【請求項４】反応炉体内の基体上に、アルカリ金属、又
   はアルカリ土類金属の少なくとも一方を構成元素中に含
   む薄膜を化学気相成長法を用いて形成する薄膜製造装置
   のクリーニング方法であって、 前記反応炉体内に、硝酸を含むクリーニング液を充填す
   る工程と、 前記反応炉体内に前記クリーニング液を充填してから所
   定時間経過した後、前記反応炉体から該クリーニング液
   を排出する工程とを含む事を特徴とする薄膜製造装置の
   クリーニング方法。