(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエーハに絶縁膜を成膜する半導体製造装置であって、
絶縁膜の成膜処理を行うためのプロセスチャンバーと、
前記プロセスチャンバー内のガスを排出する真空ポンプと、
前記プロセスチャンバーと前記真空ポンプとの間に配置される圧力制御用バルブと、
前記プロセスチャンバーと前記真空ポンプとを遮断するメインバルブと、
所定の開口を有する弁体を備え、前記プロセスチャンバーと前記真空ポンプとの間に配置される開閉バルブと、
を備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記開閉バルブは、前記メインバルブと前記真空ポンプとの間に配置されることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項３】
絶縁膜の成膜処理の際に前記開閉バルブを開状態とし、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの際に前記開閉バルブを閉状態とする制御装置を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記制御装置は、絶縁膜の成膜処理の際に、前記プロセスチャンバー内の圧力が所定の高真空状態となるように前記圧力制御用バルブを制御し、かつ、in-situクリーニングの際に、前記プロセスチャンバー内の圧力が所定の中真空状態となるように前記圧力制御用バルブを制御することを特徴とする請求項３記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に関し、特に絶縁膜形成工程でウエーハ上に膜を成膜した後にｉｎ−ｓｉｔｕ（インシチュー）クリーニングを実行する半導体製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高密度プラズマ源を使用した絶縁膜成膜装置では、絶縁膜成膜のプロセスと、チャンバー内壁等に付着した絶縁膜を除去するｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングプロセスとが、繰り返し周期的に実行される。この種の装置において、高密度プラズマ源を用いた絶縁膜成膜工程は、高真空領域（気圧が数十Ｐａに減圧された領域）で行われる。一方、その成膜工程に続いて実行されるｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングは、中真空領域（気圧が数百Ｐａに減圧された領域）内で行われる。
【０００３】
上述したように成膜工程とｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの工程とでは、処理の行われる領域の圧力が大きく異なっている。このため、成膜工程における減圧にはターボ分子ポンプが用いられ、一方、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングにおける減圧には、ターボ分子ポンプに代えてドライポンプが用いられるのが通常である。
【０００４】
上述したポンプの切り替えを可能とするため、高密度プラズマ源を使用した絶縁膜成膜装置には、構造的にｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングで清浄化できない領域が存在する。このような領域に付着した膜は、チャンバー内壁から剥がれ落ちることによりパーティクルとなり、半導体装置の歩留まりを低下させる要因となる。
【０００５】
以下、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングに関する従来の絶縁膜成膜装置の構造的な問題を図１を参照してより詳細に説明する。
図１は高密度プラズマ源を用いた絶縁膜成膜装置の概念図である。プロセスチャンバー１０１内には、ウエーハ１０２を保持するためのサセプター１０３が設けられている。サセプター１０３は、ＲＦ電源１０８に繋がっておりＲＦ印可ができる。チャンバー１０１の外壁にはコイル１０５が設置されている。コイル１０５は、ＲＦ電源１０４に繋がっておりＲＦ印可ができる。サセプター１０３にはウエーハ冷却機構、ウエーハチャック機構が備わっているが、本発明に関係しないのでその詳細な説明は割愛する。また、この装置は、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングガスを導入するための配管ラインを備えているが、その構成は本発明には影響しないので図示を省略する。
【０００６】
この装置の真空系は、チャンバー１０１を高真空に保つためのターボ分子ポンプ１１１と、ターボ分子ポンプ１１１の背圧を引くため、或いはチャンバー１０１内のガスを粗引きするためのドライポンプ１１３とを備えている。真空ラインには、圧力制御のためのスロットルバルブ１０９、チャンバー１０１のメインバルブ１１０、チャンバー１０１内のガスを粗引きする時に用いるバルブ１０７、およびターボ分子ポンプ１１１の下流に位置するバルブ１１２が設けられている。ここでは、チャンバー１０１内の圧力を、スロットルバルブ１１０を用いて制御することとしているが、その圧力はターボ分子ポンプ１１１の回転数により制御してもよい。
【０００７】
絶縁膜の成膜は高真空領域で実行される。このため、絶縁膜の成膜工程では、バルブ１０７が閉状態とされ、かつ、メインバルブ１１０とバルブ１１２の双方が開状態とされた状態で、ターボ分子ポンプ１１１により真空引きが行われ、更に、その背圧がドライポンプ１１３により引かれる。一方、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングは、中真空領域で実行されるため、その工程では、ドライポンプ１１３により真空引きが行われる。この際、装置の真空系は、メインバルブ１１０とバルブ１１２が閉状態とされ、かつ、バルブ１０７が開状態とされる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
絶縁膜の成膜工程における真空系の状態と比較すると、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニング中の真空系は、メインバルブ１１０の下流から、ターボ分子ポンプ１１１の下流に位置するバルブ１１２の上流までの領域が閉ざされた状態となる。この閉ざされた領域にはｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングガスが流れないため、メインバルブ１１０の弁体やターボ分子ポンプ１１１のローターやステ−ターに付着した生成物は（チャンバー１０１の内壁に付着する量に比べ非常に微量であるが）、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングによって除去できない。
【０００９】
従来の絶縁膜成膜装置において、この部分に付着する生成物を除去するためには、真空配管、バルブ、ポンプなどを取り外してクリーニングを実行する必要がある。このため、従来の装置において、上記のクリーニングは、長時間のダウンタイムを発生させ、装置の稼働率を低下させる要因となっていた。また、メインバルブ１１０の弁体に付着した生成物は、弁体の動作に伴ってパーティクル源となっていた。このように、高密度プラズマ源を用いた従来の絶縁膜成膜装置は、成膜工程とｉｎ−ｓｉｔｕクリーニング工程とを異なる圧力領域で実行するという構造的な問題を有し、また、その結果生ずるパーティクルにより半導体装置の歩留まりを低下させるという問題を有するものであった。
【００１０】
これらの課題は、従来の装置の構成をそのまま維持したのでは解決することが困難である。すなわち、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの手法としては、チャンバー１０１内にｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングガスを導入してＲＦ放電を行い、その結果生成される活性化種によりｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングする方法、或いは、チャンバー１０１の外で例えばフッ素ラジカル等のｉｎ−ｓｉｔｕクリーニング用活性種を生成しこれをチャンバー１０１に導入してｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングする方法など、色々な方法が知られている。しかしながら、これらのｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングは、何れも高密度プラズマ源を用いた成膜に用いられる圧力領域では実行できない。一方、その成膜の圧力をｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングで用いられる圧力とすると、高密度プラズマが放電できない。このため、従来の装置においては、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの圧力領域と高密度プラズマを用いた成膜圧力とが異なる圧力領域で実行されることに起因する問題を解決することが困難であった。
【００１１】
上述の如く、従来の装置では、圧力領域の相違に起因して、真空系の状態を切り替えないと成膜の処理とｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの処理とが実行できない事が重大な課題である。上記の課題を解決する一つの方法は、成膜処理とｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの処理とを同一の圧力領域で実行できるようにすることである。例えば、成膜処理をｉｎ−ｓｉｔｕクリーニング圧力領域で行う事ができれば上記の課題は解決するが、この場合は高密度プラズマの放電ができなくなり、成膜処理が行えない。また、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングが実行できる範囲の中で真空度を下げて成膜処理を行った場合は、成膜プラズマ中のイオンの平均自由距離が十分でないため、配線やＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を形成するための埋め込み絶縁膜に空孔が生じやすい。この空孔は半導体装置の特性に影響を与えるため無視する事はできない。
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニング中でもメインバルブを閉めることなく、通常の成膜で使用している真空系、つまり、ターボ分子ポンプを含む真空系で真空引きができるように、プロセスチャンバーとターボ分子ポンプとの間に真空のコンダクタンスを下げるパーツを入れた半導体製造装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記の目的を達成するため、半導体ウエーハに絶縁膜を成膜する半導体製造装置であって、
絶縁膜の成膜処理を行うためのプロセスチャンバーと、
前記プロセスチャンバー内のガスを排出する真空ポンプと、
前記プロセスチャンバーと前記真空ポンプとの間に配置される圧力制御用バルブと、
前記プロセスチャンバーと前記真空ポンプとを遮断するメインバルブと、
所定の開口を有する弁体を備え、前記プロセスチャンバーと前記真空ポンプとの間に配置される開閉バルブと、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体製造装置であって、前記開閉バルブが、前記メインバルブと前記真空ポンプとの間に配置されることを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の半導体製造装置であって、絶縁膜の成膜処理の際に前記開閉バルブを開状態とし、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの際に前記開閉バルブを閉状態とする制御装置を更に備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の半導体製造装置であって、前記制御装置は、絶縁膜の成膜処理の際に、前記プロセスチャンバー内の圧力が所定の高真空状態となるように前記圧力制御用バルブを制御し、かつ、in-situクリーニングの際に、前記プロセスチャンバー内の圧力が所定の中真空状態となるように前記圧力制御用バルブを制御することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図２および図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。図２は、本発明の実施の形態１である半導体製造装置の構成を説明するための図を示す。図２に示すように、本実施形態の半導体製造装置は、プロセスチャンバー２０１を備えている。チャンバー２０１の内部には、ウエーハ２０２を保持するためのサセプター２０３が配置されている。
【００１８】
サセプター２０３は、ＲＦ電源２０８に繋がっておりＲＦ印可ができる。チャンバー２０１の外壁にはコイル２０５が設置されている。コイル２０５は、ＲＦ電源２０４に繋がっておりＲＦ印可ができる。サセプター２０３にはウエーハ冷却機構、ウエーハチャック機構が備わっているが、本発明に関係しないのでその詳細な説明は割愛する。また、この装置は、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングガスを導入するための配管ラインを備えているが、その構成は本発明には影響しないので図示を省略する。
【００１９】
この装置の真空系は、チャンバー２０１を高真空に保つためのターボ分子ポンプ２１１と、ターボ分子ポンプ２１１の背圧を引くため、或いはチャンバー２０１内のガスを粗引きするためのドライポンプ２１３とを備えている。真空ラインには、圧力制御のためのスロットルバルブ２０９、チャンバー２０１のメインバルブ２１０、チャンバー２０１内のガスを粗引きする時に用いるバルブ２０７、およびターボ分子ポンプ２１１の下流に位置するバルブ２１２が設けられている。ここでは、チャンバー２０１内の圧力を、スロットルバルブ２１０を用いて制御することとしているが、その圧力はターボ分子ポンプ１１の回転数により制御してもよい。
【００２０】
以上説明した構造は、図１に示す従来の絶縁膜成膜装置の構造と同じである。本実施形態の半導体製造装置は、スロットルバルブ２０９とターボ分子ポンプ２１１との間にバルブ２１４を備えており、かつ、このバルブ２１４の弁体に、図３に示すような穴３０１が形成されている点に特徴を有している。
【００２１】
ウエーハ２０２上に絶縁膜を成膜する工程では、プロセスチャンバー２０１に、例えばＳｉＨ４、ＳｉＦ４、ＰＨ３等の半導体材料ガスが導入され、かつ、サセプター２０３およびコイル２０５に、ＲＦ電源２０４、２０８により高周波が印可される。その結果、チャンバー２０１内部に高密度プラズマが生成され、その高密度プラズマ内で半導体材料ガスが分解されることによりウエーハ２０２上に絶縁膜が成膜される。この時、装置の内部には、チャンバー２０１内のガスが、圧力制御用のスロットルバルブ２０９を通って、ターボ分子ポンプ２１１、およびドライポンプ２１３により排気されるように真空排気経路が形成される。
【００２２】
ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングは、チャンバー２０１内にクリーニング用のラジカル分子を生成するための材料ガス、例えば、ＮＦ３、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８等の半導体材料ガスを導入して行われる。より具体的には、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの工程では、チャンバー２０１内に上記の材料ガスが導入され、かつ、ＲＦ電源２０４、２０８によりチャンバー２０１内にプラズマが生成される。この処理は、絶縁膜の成膜処理の場合と異なり、５００Ｐａ程度の中真空領域で行なう必要がある。
【００２３】
ターボ分子ポンプ２１１が通常の用い方で用いられると、チャンバー２０１の内圧は高真空領域まで減圧される。このため、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの際にターボ分子ポンプ２１１を用いるためには、チャンバー２０１内の真空度を何らかの手法で中真空のレベルに下げる必要がある。チャンバー２０１内の真空度を下げる手法としては、例えば、ターボ分子ポンプ２１１の上流に取り付けられているスロットルバルブ２０９を制御することが考えられる。しかしながら、この場合、スロットルバルブ２０９の上流側と下流側に発生させる圧力差が高いため、制度の高い制御は実現できない。
【００２４】
本実施形態の装置において、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの際に、図３に示す様な特徴的な弁体を持ったバルブ２１４を閉状態とすると、そのバルブ２１４の上流・下流間に圧力差をつけることができ、スロットルバルブ２０９の上流・下流間の圧力差を小さくすることができる。尚、バルブ２１４の上流・下流間に生ずる圧力差は、図３に示す弁体の穴の大きさおよび数量により制御することができる。本実施形態では、その大きさが１ｍｍ２とされ、また、その数が１００個程度とされている。
【００２５】
本実施形態の装置は、スロットルバルブ２０９やバルブ２１４の状態を制御する制御装置（図示せず）を備えている。この制御装置は、絶縁膜の成膜処理の際には、バルブ２１４を開状態としつつ所望の真空度が得られるようにスロットルバルブ２０９を制御し、また、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの際には、バルブ２１４を閉状態としたうえで所望の真空度を得るためにスロットルバルブ２０９を制御する。この場合、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの際にスロットルバルブ２０９の上流・下流間に生ずる圧力差が抑制されているので、ターボ分子ポンプ２１１を動作させつつ、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの実行に必要な中真空の状態を精度良く作り出すことができる。
【００２６】
本実施形態の装置において、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの際に形成される真空排気経路は、バルブ２１４が閉状態となることを除き絶縁膜の成膜中に形成される真空排気経路と全く同じである。つまり、本実施形態において、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングの際に、チャンバー２０１内のガスが排気される経路は、絶縁膜の成膜中にチャンバー２０１内のガスが辿るのと全く同じ経路を辿って排出される。このため、本実施形態の装置によれば、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングにより、チャンバー２０１や真空排気経路に付着した絶縁膜を完全に除去することができる。
【００２７】
ところで、上述した実施の形態１では、チャンバー２０１の中にｉｎ−ｓｉｔｕクリーニング用の材料ガスを導入し、そのチャンバー２０１内部でラジカル分子を生成してクリーニングを行なっているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、チャンバー２０１の外で生成されたラジカル分子をチャンバー２０１内に直接導入してｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングを行なっても、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、高密度プラズマを用いた成膜処理の際にプロセスチャンバー内に発生するパーティクル源を、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングにより完全に除去することができる。このため、本発明によれば、プロセスチャンバーや真空排気経路の中にパーティクルの発生源が残存するのを防止し、半導体装置の歩留まりを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の高密度プラズマ源を用いた絶縁膜成膜装置の概要を表す図である。
【図２】本発明の実施の形態１である半導体製造装置の概要を表す図である。
【図３】本発明の実施の形態１の半導体製造装置が備えるバルブの弁体の平面図である。
【符号の説明】
２０１    プロセスチャンバー
２０２    ウエーハ
２０３    サセプター
２０４、２０８    ＲＦ電源
２０５    ＲＦ導入用コイル
２０６    バイパス配管
２０７、２１２    バルブ
２０９    スロットルバルブ
２１０    メインバルブ
２１１    ターボ分子ポンプ
２１３    ドライポンプ
２１４    差圧発生用バルブ
３０１    差圧発生用穴
【図１】
0003595508.tif 000002
【図２】
0003595508.tif 000003
【図３】
0003595508.tif 000004