DE19832566C2 - Niederdruck-CVD-Vorrichtung für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, ihr Betriebsverfahren und Optimierungsverfahren eines Reinigungsverfahrens für eine Prozesskammer - Google Patents
Niederdruck-CVD-Vorrichtung für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, ihr Betriebsverfahren und Optimierungsverfahren eines Reinigungsverfahrens für eine ProzesskammerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Niederdruck-CVD-Vorrichtung
(LPCVD: Low Pressure Chemical Vapor Deposition, chemische
Abscheidung aus der Gasphase unter Niederdruck) für die
Herstellung von Halbleiterbauelementen, ein Verfahren zum
Optimieren des Reinigungsverfahrens für eine Prozesskammer und
insbesondere das unmittelbare Reinigen einer Prozesskammer
nach der Bearbeitung von Halbleiter-Wafern unter Verwendung
eines Restgasanalyse-Quadrupolmassenspektrometers (RGA-QMS).
Im allgemeinen werden Halbleiterbauelemente in einer
Prozesskammer unter vorbestimmten Prozessbedingungen
hergestellt. Insbesondere wird, wenn ein CVD-Verfahren auf
einem Halbleiter-Wafer durchgeführt wird, eine vorbestimmte
Schicht nicht nur auf dem Wafer sondern auch auf der Innenwand
der Prozesskammer und auf einem Träger für die Wafer zum
Transportieren derselben zwischen der Prozesskammer und einer
Schleusenkammer und zum Aufbewahren derselben ausgebildet. Aus
diesen Schichten können Teilchen austreten, die während des
Herstellungsverfahrens zu Defekten auf den Wafern führen
können, da die Schichten während des Beladens/Entladens der
Wafer eine Spannung erfahren.
Um diese Defektquelle zu minimieren, werden in vorbestimmten
Zeitabständen präventive Wartungsarbeiten (PM, Preventing
Maintenance) wiederholt durchgeführt, wodurch jedoch die
Produktivität für die Halbleiterbauelemente verschlechtert
wird, da das Herstellungsverfahren dafür unterbrochen werden
muß.
Aus Fig. 1 ist ein herkömmlicher PM-Ablauf für eine
Hauptprozesskammer ersichtlich. Zuerst wird nach Durchführung
eines Verfahrens auf den Halbleiter-Wafern das System
abgekühlt. Nachdem die Prozesskammer vollständig abgekühlt
ist, werden die einzelnen Kammern der Prozesskammer
herausgenommen und einem Nassätzverfahren (Reinigen)
unterworfen. Das Nassätzverfahren verwendet im allgemeinen
Verbindungen, wie HF-Gruppen, um Polysiliziumschichten oder
Siliziumnitridschichten in den Prozesskammer zu entfernen.
Dann werden die entfernten Kammern wieder in der Prozesskammer
angeordnet, und durch Betätigen einer Vakuumpumpe wird eine
Vakuumprüfung durchgeführt. Eine Verfahrensüberprüfung wird
durchgeführt, um festzustellen, ob die Prozesskammer für ein
neues Verfahren bereit ist, und ob die Prozessbedingungen für
das nächste Verfahren voreingestellt sind.
Das oben beschriebene PM-Verfahren weist jedoch Probleme
derart auf, dass es sehr aufwendig und teuer ist und eine
Dauer von mehr als 24 Stunden erfordert. Deshalb wird, um
diese Probleme zu vermeiden, ein Plasmaätzverfahren unter
Verwendung von NF3 und CF4-Gas anstatt eines Nassätzverfahrens
durchgeführt, es werden thermische Schock-Techniken verwendet,
um die in der Kammer gebildeten Schichten mittels thermischer
Spannungen zu entfernen, oder es wird ein Trockenätzverfahren
unter Verwendung von ClF3, BrF5 durchgeführt.
Trotzdem müssen bei Anwendung dieser Verfahren die Kammern
weiterhin entfernt und dann wieder eingebaut werden, so dass
das Verfahren immer noch sehr teuer und aufwendig ist sowie
viel Zeit in Anspruch nimmt.
Es sind auch Verfahren zum unmittelbaren Reinigen der
Prozesskammer bekannt (US 5 637 153, DE 44 17 205 C2), bei
denen ein Reinigungsgas, wie zum Beispiel ClF3 in die
Prozesskammer direkt eingeleitet werden kann, ohne diese
auszubauen. Dennoch kann bei diesen Verfahren der
Reinigungsprozess und auch das CVD-Verfahren für die
Halbleiter-Waver, wegen fehlender Einrichtungen für die
Messung und Kontrolle der jeweiligen Gasatmosphäre in der
Prozesskammer, nicht optimiert werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine LPCVD-Vorrichtung für
die Herstellung von Halbleiterelementen bereitzustellen, bei
der eine Prozesskammer unmittelbar gereinigt wird und bei der
die oben beschriebenen, von den Nachteilen und Beschränkungen
des Standes der Technik herrührenden, Probleme vermieden
werden.
Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum
Optimieren des Reinigens einer Prozesskammer bereitzustellen.
Um dies zu erreichen, weist die erfindungsgemäße LPCVD-
Vorrichtung auf: eine Prozesskammer, die eine abgedichtete
äussere Kammer und in dieser eine nach oben offene, innere
Kammer aufweist, in der ein Beschichtungsverfahren für die
Herstellung von Halbleiterbauelementen durchgeführt wird; eine
Prozessgas-Versorgungsleitung zum Einleiten einer Mehrzahl von
Prozessgasen oder eines Reinigungsgases, in die Kammer; eine
Gasentsorgungsleitung zum Entfernen des verbrauchten Gases aus
der Prozesskammer mittels einer Pumpvorrichtung nach
Beendigung des Verfahrens; eine mit der Prozesskammer
verbundene Prüfvorrichtung zum Sammeln einer Stichprobe des
Gases in derselben; und einen Gasanalysator zum Analysieren
des in der Prüfvorrichtung gesammelten Gases.
In der Prüfvorrichtung ist eine derartige Öffnung vorgesehen,
daß der Druck in derselben der gleiche ist, wie der in der
Prozesskammer.
Die Prüfvorrichtung weist ein erstes Ventil, ein zweites
Ventil, ein erstes Absperrventil, ein zweites Absperrventil,
ein drittes Absperrventil und ein Endventil auf, die in dieser
Reihenfolge beginnend am Anschluss an die äussere Kammer
vorgesehen sind.
In der Prüfvorrichtung ist ferner eine Spülgas-
Versorgungsleitung vorgesehen. Die Spülgas-Versorgungsleitung
der Sammelvorrichtung ist mit dem ersten Ventil und dem
zweiten Ventil der Spülgas-Versorgungsquelle verbunden, und
zwischen dem ersten Ventil und dem zweiten Ventil sind ferner
ein drittes Ventil und ein viertes Ventil vorgesehen. Eine
Manometerkammer und eine Pumpe sind ferner zwischen dem ersten
Absperrventil und dem zweiten Absperrventil der
Sammelvorrichtung angeordnet, um den Druck in dem
Prüfvorrichtung zu steuern.
Ferner ist eine Abscheidevorrichtung zum Reinigen des durch
die Pumpvorrichtung der Gasentsorgungsleitung
hindurchtretenden verbrauchten Gases vorgesehen.
Der Gasanalysator weist ein Restgasanalyse-Quadrupol
massenspektrometer mit einem Massenanalysator, einer
Turbomolekularpumpe und einer Ausheizpumpe auf, was unter
umweltbezogenen Gesichtspunkten bevorzugt wird.
Ferner wird ein Betriebsverfahren für die erfindungsgemässe
LPCVD-Vorrichtung für die Herstellung von
Halbleiterbauelementen bereitgestellt, wobei die LPCVD-
Vorrichtung aufweist: eine Prozesskammer, die eine
abgedichtete äußere Kammer und in dieser eine nach oben
offene, innere Kammer aufweist, in der ein
Beschichtungsverfahren für die Herstellung von
Halbleiterbauelementen durchgeführt wird; eine Prozessgas-
Versorgungsleitung zum Einleiten einer Mehrzahl von
Prozessgasen oder eines Reinigungsgases in die Kammer; eine
Gasentsorgungsleitung zum Entfernen des verbrauchten Gases aus
der Prozesskammer mittels einer Pumpvorrichtung nach
Beendigung des Verfahrens; eine mit der Prozesskammer
verbundene Prüfvorrichtung zum Sammeln einer Stichprobe des
Gases in derselben; und einen Gasanalysator zum Analysieren
des in der Prüfvorrichtung gesammelten Gases, wobei das
Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Sammeln einer
Stichprobe des Gases aus der Prozesskammer in der
Prüfvorrichtung b) Ausheizen, um den anfänglichen
Hintergrunddruck in dem Gasanalysator unter einen
vorbestimmten Wert zu bringen; c) Durchführen einer
Verunreinigungsanalyse für jede Prozessgas-
Versorgungsleitung; d) Durchführen des Verfahrens für die
Halbleiter-Wafer in der Prozesskammer; e) Entladen der Wafer,
nachdem das vorbestimmte Verfahren für die Halbleiter-Wafer
beendet ist, und Abpumpen des verbrauchten Gases aus der
Prozesskammer; und f) Reinigen des Inneren der Prozesskammer
während ein Reinigungsgas unmittelbar in diese eingeleitet
wird.
Die Prüfvorrichtung und der Gasanalysator werden vor dem
Sammeln einer Stichprobe des Gases kontinuierlich unter
Verwendung eines Spülgases gespült, was insbesondere
vorteilhaft für die Präzision des Gasanalysators ist, und die
Verunreinigungsanalyse der Prozessgas-Versorgungsleitungen
wird durchgeführt, indem die voneinander isolierten
Prozessgas-Versorgungsleitungen mit Stickstoffgas durchspült
und dabei auf ein Leck geprüft werden. Vorzugsweise ist das
Herstellungsverfahren der Halbleiter-Wafer ein derartiges, bei
dem eine Schicht, wie z. B. Silizium, auf die Wafer aufgebracht
wird, und das Reinigungsverfahren durch gleichmäßiges
Einleiten von Stickstoffgas und ClF3-Gas als Reinigungsgase
durchgeführt wird, während der Druck und die Temperatur in der
Prozesskammer konstant gehalten werden, so dass das Ende des
Reinigungsverfahrens einfach festgestellt werden kann.
Das Verfahren weist ferner Schritte auf, in denen die Teilchen
in der Prozesskammer vor bzw. nach dem Reinigungsverfahren
gemessen werden, und das Verfahren weist auch Schritte auf, in
denen Metallverunreinigungen und Ionenverunreinigungen in der
Prozesskammer vor bzw. nach dem Reinigungsverfahren gemessen
werden, so daß die Wirkung des Reinigungsverfahrens bestimmt
werden kann.
Gemäß eines anderen Gesichtspunktes der Erfindung weist ein
Verfahren zum Optimieren eines unmittelbar durchgeführten
Reinigungsverfahrens für die Prozesskammer, nachdem das
Verfahren für in der Prozesskammer angeordnete Wafer
durchgeführt wurde, unter Verwendung der oben beschriebenen
Vakuumvorrichtung folgende Schritte auf: a) Reinigen der
Prozesskammer durch Einleiten einer vorbestimmten Menge von
Stickstoffgas und ClF3 als Reinigungsgase, während ein
konstanter Druck und eine konstante Temperatur in der
Prozesskammer aufrechterhalten werden, nachdem das Verfahren
für die Halbleiter-Wafer durchgeführt wurde, bis der
Gasanalysator das Ende des Reinigungsverfahrens festgestellt
hat; und b) nachdem das gleiche Verfahren für andere
Halbleiter-Wafer durchgeführt wurde: Reinigen der
Prozesskammer durch Einleiten einer vorbestimmten Menge von
Stickstoffgas und ClF3 als Reinigungsgase bei verändertem Druck
und veränderter Temperatur in der Prozesskammer, bis der
Gasanalysator das Ende des Reinigungsverfahrens festgestellt
hat.
Vorzugsweise wird das Ende des Reinigungsverfahrens vom
Gasanalysator durch den Schnittpunkt der Konzentrationskurve
eines Ätzgases mit der Konzentrationskurve der Ätzprodukte
bestimmt.
Erfindungsgemäß werden von der Prüfvorrichtung und von dem
Gasanalysator bei der Durchführung des Verfahrens für einen
Halbleiter-Wafer und bei dem unmittelbaren Reinigungsverfahren
für die Prozesskammer unter Verwendung von ClF3-Gas die
Mechanismen exakt aufgezeichnet, so daß das
Reinigungsverfahren optimiert werden kann, so daß ferner das
Verfahren vereinfacht werden kann und die Produktivität
verbessert werden kann.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm des herkömmlichen
Reinigungsverfahrens der Prozesskammer der herkömmlichen CVD-
Vorrichtung zum Herstellen von Halbleiterbauelementen;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der LPCVD-Vorrichtung
zum Herstellen von Halbleiterbauelementen gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm der Prozessanalyse und des
Reinigungsverfahrens für die aus Fig. 2 ersichtliche LPCVD-
Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 4 ein Gasanalyse-Diagramm für das Speicherpolysilizium-
Aufbringverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 ein Gasanalyse-Diagramm für das Reinigungsverfahren
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 eine Auftragung der Ätzrate bei dem
Reinigungsverfahren gegen den Innendruck der Prozesskammer
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 eine Auftragung der Ätzrate bei dem
Reinigungsverfahren gegen die Innentemperatur der
Prozesskammer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 8 eine Auftragung der Ätzrate bei dem
Reinigungsverfahren gegen den ClF3-Fluß in der Prozesskammer
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Im folgenden wird detailliert auf die bevorzugten
Ausführungsformen der Erfindung eingegangen, die auch aus der
Zeichnung ersichtlich sind.
Aus Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der LPCVD-
Vorrichtung zum Herstellen von Halbleiterbauelementen gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich.
Eine Prozesskammer 10 weist eine Doppelkammer, d. h. eine
Aussenkammer 14 und eine Innenkammer 16, auf. In der
Prozesskammer 10 werden verschiedene Verfahren, wie
Beschichtungsverfahren, Plasmaverfahren, Diffusionsverfahren,
CVD-Verfahren usw., durchgeführt. Unter der Prozesskammer ist
eine Schleusenkammer 12 angeordnet, und ein Träger 18 zum
Halten der zu bearbeitenden Wafer ist derart angeordnet, daß
er mittels einer Hubvorrichtung 20 zwischen der Prozesskammer
10 und der Schleusenkammer 12 hin und her bewegt werden kann.
Eine Prozessgas-Versorgungsleitung 22 zum Einleiten von Gas
während des Verfahrens ist mit der Unterseite der Innenkammer
16 sowie über Ventile 32, 34, 36, 38, 40 mit einer SiH4-Quelle
24, einer PH3-Quelle 26, einer N2-Quelle 28 bzw. einer ClF3-
Quelle 30 verbunden. Die ClF3-Quelle 30 dient als
Reinigungsgas-Quelle und wird weiter unten beschrieben.
Die Gas-Versorgungsleitung 22 kann voneinander getrennte
Leitungen für jedes Prozessgas oder jedes Reinigungsgas
aufweisen.
Das nach dem Verfahren verbrauchte Gas wird mittels einer
Pumpe 44 durch eine Abpumpleitung 42 hindurch abgepumpt und
mittels einer Abscheidevorrichtung gereinigt.
Um den Ablauf der in der Prozesskammer 10 stattfindenden
Gasänderung zu messen, ist in der Aussenkammer 14 ein
Prüfanschluss 48 vorgesehen, der mit einer Prüfvorrichtung 50
mittels einer flexiblen Verbindung 52 verbunden ist. Die
Prüfleitung 54 der Prüfvorrichtung 50 ist aus Edelstahl und
elektropoliert, und ihr Durchmesser beträgt 0,95 cm (ca. 3/8 Zoll).
Entlang der Prüfleitung 54 sind ein erstes Ventil 62,
ein zweites Ventil 66, ein erstes Absperrventil 68, ein
zweites Absperrventil 70, ein drittes Absperrventil 72 und ein
Endventil 74 in dieser Reihenfolge angeordnet. Der Durchmesser
der Öffnung des ersten Absperrventils 68 bzw. des zweiten
Absperrventils 70 beträgt jeweils 100 µm, und der Durchmesser
der Öffnung des dritten Absperrventils 72 beträgt 250 µm.
Die Prüfvorrichtung 50 weist eine N2-Quelle 56 auf, so dass
jederzeit Spülgas bereitgestellt werden kann, selbst wenn kein
Prüfverfahren durchgeführt wird, und die von der N2-Quelle 56
kommende Leitung verzweigt sich mittels eines T-Stücks 58,
wobei ein Ende mit dem ersten Ventil 62 verbunden ist und das
andere Ende mit dem zweiten Ventil 66 verbunden ist. Ferner
ist eine Ionenröhre 76 zwischen dem ersten Absperrventil 68
und dem zweiten Absperrventil 70 angeordnet. Zwischen diesen
beiden Ventilen weist die Prüfleitung 54 eine Abzweigung auf,
die durch die Pumpe 90 hindurchführt und mit der
Abscheidevorrichtung 46 verbunden ist.
Die das Endventil 74 aufweisende Prüfleitung 54 weist einen
Gasanalysator 80 auf, der mit dem hinteren Teil der
Prüfleitung verbunden ist. Der Gasanalysator 80 verwendet ein
kommerzielles RGA-QMS mit einem Massenspektrometer 84. Die
Prüfleitung läuft durch eine Turbomolekularpumpe 86 und eine
Ausheizpumpe 88 hindurch und ist mit der Abscheidevorrichtung
46 verbunden. Über dem Massenanalysator 84 ist eine Ionenröhre
82 angeordnet.
Das erfindungsgemäß verwendete ClF3-Gas ist ein Reinigungsgas,
das auch für das Reinigen von Polysilizium, Siliziumnitrid,
Siliziumglas und Wolframsilizid verwendet werden kann. Es kann
sowohl bei geringen Temperaturen als auch in Plasmen verwendet
werden und weist eine besonders gute chemische Selektivität
auf, so daß auch in den Bereichen, die von den Plasmen nicht
erreicht werden, ein Abätzen stattfindet. Es weist ferner den
Vorteil auf, daß die Bildung von Partikeln auf den Wafer-
Oberflächen sehr gering ist, und es wird im allgemeinen mit
einem inaktiven Gas, wie N2, auf eine Konzentration von 20 ± 5
Volumen-% verdünnt. Während ein geringer Druck in der
Prozesskammer gut für ein gleichmäßiges Abätzen der Schichten
in der Kammer ist, erhöht ein größerer Anteil des Ätzgases die
Ätzrate. Um die gewünschten Ätzraten zu erzielen, ist es
besser, die Prozesskammer vor dem Einleiten von ClF3 vor Beginn
des Verfahrens auf eine Temperatur aufzuheizen, die höher als
der Siedepunkt von ClF3 und vorzugsweise höher als 400°C ist.
Da ClF3 ein sehr aktives Gas ist, kann, falls die Ätzrate zu
hoch ist, die Kammer selbst angeätzt werden, so dass die Dicke
der Kammer abnimmt, womit die Lebensdauer der Kammer verkürzt
wird. Eine Beschädigung des Vakuumsystems kann schon aufgrund
geringer Mengen Wassers in dem Gasverteilungssystem auftreten,
so dass es sehr wichtig ist, den Spülschritt und/oder die
Reinigungszeit für die Prozesskammer zu steuern.
Ferner werden für die ClF3-Versorgungsleitung aufgrund der
Eigenschaften von ClF3 Nickel, Monel, Hastelloy, Edelstahl 316
L sowie Polymere verwendet.
Das als Gasanalysator 80 verwendete RGA-QMS ist kommerziell
erhältlich und wird derart betrieben, daß das in der
Prozesskammer verwendete Gas oder das darin verbliebene Gas
gesammelt wird und mit auf eine Energie von 1,122 . 10-17 J (70 eV)
beschleunigten Elektronen beschossen wird, so daß das Gas
ionisiert wird. Mit diesen Ionen wird ein Massenspektrum
erhalten, indem durch das Quadrupol-Massenspektrometer, an dem
eine Gleichspannung und eine Wechselspannung anliegen, nur
solche Ionen hindurchtreten, die ein vorbestimmtes Verhältnis
von Masse zu elektrischer Ladung aufweisen. Durch die somit
erhaltene Zusammensetzung der Ionen können die Abläufe in dem
Gas bestimmt werden. Das erfindungsgemäss verwendete RGA-QMS
ist ein bewegbares System, und anders als bei allgemeinen für
Kathodenzerstäubungsverfahren (Sputter-Verfahren) verwendete
offene Ionenquellen ist die hier verwendete Ionenquelle eine
geschlossene Ionenquelle, so dass es möglich ist Prozessgase,
reine Gase usw. zu analysieren.
Der Prüfdruck wird derart gesteuert, daß er gleichbleibend
derselbe Druck wie in der Prozesskammer ist, indem in der
Prüfvorrichtung 50 Öffnungen (Durchmesser 100 bzw. 250 µm)
verwendet werden.
Aus Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm der Prozessanalyse und des
Reinigungsverfahrens für die aus Fig. 2 ersichtliche LPCVD-
Vorrichtung ersichtlich, und im folgenden wird detailliert auf
Fig. 3 eingegangen.
Zuerst wird eine Prüfung mit dem RGA-QMS durchgeführt. Das
heißt, dass der Gasanalysator 80 mit der Prüfvorrichtung
verbunden und kontinuierlich N2-Gas eingeleitet wird, um das
RGA-QMS zu spülen, nachdem das erste Ventil 62 und das dritte
Ventil 60 geschlossen wurden und das zweite Ventil 66 und das
vierte Ventil 64 geöffnet wurden. Dann wird das Gas in der
Prozesskammer 10 gesammelt, nachdem das vierte Ventil 64
geschlossen und das erste Ventil 62 geöffnet wurde. Zu diesem
Zeitpunkt kann, falls es erforderlich ist, den Druck in der
Prozeßkammer 10 bzw. der Prüfleitung 54 zu messen, dies durch
Betreiben der Pumpe 90 basierend auf dem von der Ionenröhre 76
gemessenen Druck durchgeführt werden.
Dann wird das RGA-QMS während eines Ausheizvorgangs betrieben.
Das heißt, das nach dem Anordnen eines
Quadrupolmassenspektrometers in der RGA-QMS-Kammer (nicht
gezeigt) diese ausgeheizt wird, um den Hintergrunddruck zu
verringern. Da das RGA-QMS eine Vorrichtung ist, die sehr
sensibel auf Verunreinigungen in der Vorrichtung selbst
reagiert, wird deren Verunreiningungsgrad aufgrund einer
Verunreinigung durch Wasser und Sauerstoff mittels einer
Analyse des Hintergrundspektrums bestimmt. Daher wird, wenn
das Verunreinigungsniveau hoch ist, die RGA-QMS-Kammer bei ca.
250°C ausgeheizt, und die Prüfevorrichtung wird bei ca. 150°C
ausgeheizt, so dass die Verunreinigungen verringert werden.
Bei der Durchführung des Ausheizverfahrens wird die Amplitude
(PPM) des Partialdrucks jeder molekularen Verunreinigung (H2O,
H2, O2, Ar, CO2 usw.) als Intensität aufgezeichnet, und das
Ausgasen der Verunreinigungen wird aufgrund des Ausheizens
beschleunigt, so dass der anfängliche Hintergrunddruck in dem
RGA-QMS verringert wird.
Die Verunreinigungen in den Gasleitungen werden nacheinander
analysiert. Das heisst, dass N2-Gas mit einem Volumenstrom von
0,5 l/min, bezogen auf Normalbedingungen (20°C und 1013 hPa
(500 SCCM, Standard Cubic Centimeters per Minute;
Normkubikzentimeter pro Minute)) isoliert in jede
Versorgungsleitung eines jeden Prozessgases eingelassen wird,
um die Zuführungsleitung für jedes Prozessgas (SiH4, PH3, N2) zu
analysieren, und das Gas in der Prozesskammer wird gesammelt
und analysiert, so dass bestimmt werden kann, ob in einer der
Gas-Versorgungsleitungen ein Leck besteht.
Dann wird das Verfahren für die Halbleiter-Wafer durchgeführt.
Danach findet ein Prüfverfahren zum Analysieren des Verfahrens
statt. Zu diesem Zeitpunkt kann zum Beispiel beim Aufbringen
von Speicher-Polysilizium in einen DRAM-Verfahren ein Prüfen
kontinuierlich vor dem Spülen, nach dem Spülen als auch
während des Aufbringens stattfinden, indem eine Öffnung in der
Prüfvorrichtung des RGA-QMS verwendet wird, so dass diese bei
120 Pa (ca. 0,9 Torr), dem Druck der Prozesskammer, gehalten
wird.
Aus Fig. 4 ist eine Gasanalyse für das Speicherpolysilizium-
Aufbringverfahren ersichtlich.
Nachdem das Verfahren für die Halbleiter-Wafer beendet ist und
der die Wafer aufweisende Träger aus der Prozesskammer
entfernt wurde, wird das verbliebene Gas abgepumpt.
Dann wird das unmittelbare Reinigungsverfahren mit ClF3
durchgeführt und analysiert. Das heisst, dass für den Fall,
dass eine Speichersiliziumschicht mit einer Dicke von 4,8 µm
(48000 Å) aufgebracht wurde, die an der Innenseite der
Prozesskammer haftende Schicht abgeäzt wird, indem N2-Gas mit
2,8 l/min, bezogen auf Normalbedingungen, (2800 SCCM) und ClF3-
Gas mit 0,7 l/min, bezogen auf Normalbedingungen, (700 SCCM) in
die Prozesskammer eingeleitet wird.
Dann wird das Reinigungsverfahren optimiert. Das heisst, dass,
um das Ende des Reinigungsverfahrens während dessen
Durchführung zu bestimmen, das Reinigungsverfahren analysiert
wird, indem der Druck und die Temperatur der Prozesskammer
wiederholt und einander abwechselnd verändert werden, während
der Fluss des Reinigungsgases konstant bleibt (z. B. N2-Gas mit
2,8 l/min (2800 SCCM) und ClF3-Gas mit 0,7 l/min (700 SCCM),
beides bezogen auf Normalbedingungen).
Wie die Analyse des Speicherpolysilizium-Aufbringverfahrens
wird die Bestimmung des Endes des Reinigungsverfahrens während
des gesamten Reinigungsverfahrens unter Verwendung einer
Öffnung in der Prüfevorrichtung durchgeführt, die im
Druckbereich der Prozeßkammer (z. B. 120 Pa bis 133 Pa (ca.
0,9 Torr bis ca. 1 Torr)) gehalten wird.
Aus Fig. 5 ist eine mit einem RGA-QMS ermittelte Analyse des
unmittelbaren Reinigungsverfahrens mittels ClF3 nach Aufbringen
eines Speicherpolysiliziums ersichtlich.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, läßt sich das gesamte
Reinigungsverfahren im wesentlichen in 3 Schritte aufteilen.
Der erste Schritt weist die Vakuumerzeugung und das Spülen vor
dem Reinigen auf; und gemäss Fig. 5 entspricht dem ersten
Schritt die Zeit von 0 bis 50 Scans. Das Ätzverfahren wird im
zweiten Schritt durchgeführt, dem die Zeit von 50 bis etwa 280
Scans entspricht. Der dritte Schritt weist die Vakuumerzeugung
und das Spülen nach Beendigung des Ätzens im zweiten Schritt
auf; und dem dritten Schritt entspricht die Zeit nach etwa 280
Scans.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, liegt das Ende des
Reinigungsverfahrens im Bereich um 280 Scans und ist in der
Figur mit einem Pfeil gekennzeichnet. Durch die Einleitung des
Reinigungsgases ClF3 erzeugte F-Radikale und Cl-Radikale ätzen
die Silizium aufweisenden Schichten, die auf den Innenwänden
der Prozesskammer gebildet wurden, ab, und insbesondere
Ätzmittel zum Ätzen der Polysiliziumschicht, wie HF+ (3,32 . 10-26 kg
(20 amu, atomar mass units; atomare Masseneinheiten,)), F+
(3,15 . 10-26 kg (19 amu)) reagieren aktiv mit Si+ während des
zweiten Ätzschrittes, so daß als Produkte SiF3 + (1,41 . 10-25 kg
(85 amu)) und SiF+ (7,80 . 10-26 kg (47 amu)) gebildet werden. Das
bedeutet, daß der Kreuzungspunkt des Intensitätsverlaufs des
Ätzmittels HF+ (3,32 . 10-26 kg (20 amu)) mit dem
Intensitätsverlauf des Produktes SiF3 + (1,41 . 10-25 kg (85 amu))
bei etwa 280 Scans der Bereich des Endes des
Reinigungsverfahrens ist.
Durch Durchführung des gleichen Speicherpolysilizium-
Aufbringverfahrens und durch Verändern des Drucks und der
Temperatur in der Prozesskammer sowie des Flusses des ClF3-
Gases und Bestimmen des Endes des Reinigungsverfahrens bei den
jeweils veränderten Randbedingungen wird die Prozessdauer für
jeden Schritt des Reinigungsverfahrens immer kürzer und
optimiert, so dass ein optimaler Druck, eine optimale
Temperatur und ein optimaler Fluss erreicht werden. Die
Resultate der oben beschriebenen Optimierung sind aus den Fig.
6 bis 8 ersichtlich, wobei Fig. 6 ein Diagramm ist, in dem die
Ätzrate des Reinigungsverfahrens als Funktion des Innendrucks
der Prozesskammer aufgetragen ist, Fig. 7 ein Diagramm ist,
bei dem die Ätzrate des Reinigungsverfahrens als Funktion der
Innentemperatur der Prozesskammer aufgetragen ist, und Fig. 8
ein Diagramm ist, bei dem die Ätzrate des Reinigungsverfahrens
als Funktion des ClF3-Flusses in der Prozesskammer aufgetragen
ist.
Durch Bestimmen der Partikel in der Prozesskammer vor bzw.
nach dem Reinigungsverfahren wird der Effekt des Reinigens
bestimmt, und zusätzlich kann der Effekt des
Reinigungsverfahrens bestimmt werden durch Messen der
Metall/Ionen-Verunreinigungen, wie Fe, Cr, Ni, Zn, Ti, S, Cl,
F, NH4, usw. mit TXRF (Total X-ray Reflection
Fluorescence)/HPIC (High Performance Ion Chromatography) vor
bzw. nach dem Reinigungsverfahren.
Deshalb kann erfindungsgemäß die Prozesskammer unmittelbar
gereinigt werden, ohne dass sie geöffnet werden muss, so dass
die Betriebsdauer der Einrichtigung verlängert ist, die
Reinigungszeit verkürzt ist sowie die Produktivität erhöht
ist.
Zusätzlich kann erfindungsgemäss das unmittelbare
Reinigungsverfahren optimiert werden, so dass die Lebensdauer
der Vorrichtung erhöht ist und die Reinigungszeit verringert
ist.
Ferner werden erfindungsgemäss die Verfahren für die Wafer
kontinuierlich aufgezeichnet und analysiert, so dass
Prozessstörungen vermieden werden, was die Produktivität
erhöht.
Claims (21)
1. Niederdruck-CVD-Vorrichtung zum Beschichten von
Halbleiterbauelementen mit:
einer Prozesskammer (10), die eine abgedichtete Aussenkammer (14) und eine darin angeordnete nach oben offene Innenkammer (16) aufweist;
einer Prozessgas-Versorgungsleitung (22) zum Einleiten einer Mehrzahl von Prozessgasen (24, 26, 28) oder eines Reinigungsgases (30) in die Prozesskammer (10);
einer Abpumpleitung (42) zum Abpumpen des verbrauchten Gases aus der Prozesskammer (10) mittels einer Pumpvorrichtung (44);
einer mit der Prozesskammer (10) verbundenen, Prüfvorrichtung (50) zum Sammeln von Gas;
einem Gasanalysator (80) zum Analysieren des in der Prüfvorrichtung (50) gesammelten Gases,
wobei eine Öffnung in der Prüfvorrichtung (50) derart vorgesehen ist, dass der Druck in derselben auf dem gleichen Wert wie der in der Prozesskammer (10) gehalten wird.
einer Prozesskammer (10), die eine abgedichtete Aussenkammer (14) und eine darin angeordnete nach oben offene Innenkammer (16) aufweist;
einer Prozessgas-Versorgungsleitung (22) zum Einleiten einer Mehrzahl von Prozessgasen (24, 26, 28) oder eines Reinigungsgases (30) in die Prozesskammer (10);
einer Abpumpleitung (42) zum Abpumpen des verbrauchten Gases aus der Prozesskammer (10) mittels einer Pumpvorrichtung (44);
einer mit der Prozesskammer (10) verbundenen, Prüfvorrichtung (50) zum Sammeln von Gas;
einem Gasanalysator (80) zum Analysieren des in der Prüfvorrichtung (50) gesammelten Gases,
wobei eine Öffnung in der Prüfvorrichtung (50) derart vorgesehen ist, dass der Druck in derselben auf dem gleichen Wert wie der in der Prozesskammer (10) gehalten wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Prüfvorrichtung (50) ein erstes Ventil (62), ein
zweites Ventil (66), ein erstes Absperrventil (68), ein
zweites Absperrventil (70), ein drittes Absperrventil
(72) und ein Endventil (74) aufweist, die in dieser
Reihenfolge beginnend an der Anbringung der
Prüfvorrichtung
(50) an der Aussenkammer (14) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
in der Prüfvorrichtung (50) eine Spülgas-
Versorgungsleitung vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Spülgasquelle (56) mittels der Spülgas-
Versorgungsleitung mit dem ersten Ventil (62) und dem
zweiten Ventil (66) verbunden ist, wobei zwischen der
Prüfvorrichtung (50) und dem ersten Ventil (62) sowie
zwischen der Prüfvorrichtung (50) und dem zweiten Ventil
(66) ein drittes Ventil (60) bzw. ein viertes Ventil (64)
angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Vakuumröhre (76) und eine Pumpe (90) zwischen dem
ersten Absperrventil (68) und dem zweiten Absperrventil
(70) der Prüfvorrichtung (50) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Öffnungen des ersten Absperrventils (68), des zweiten
Absperrventils (70) bzw. des dritten Absperrventils (72)
der Prüfvorrichtung (50) im Durchmesser jeweils 100 µm,
100 µm bzw. 250 µm betragen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Gasanalysator (80) ein Restgasanalyse-
Quadrupolmassenspektrometer (RGA-QMS) mit einem
Massenanalysator (84), einer Turbomolekularpumpe (86) und
einer Ausheizpumpe (88) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 7, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Abscheidevorrichtung (46) zum
Reinigen des verbrauchten Gases, das durch die
Pumpvorrichtung (44) der Abpumpleitung (42)
hindurchtritt, vorgesehen ist, wobei auch das durch die
Pumpe (90) der Prüfvorrichtung (50) und das durch den
Gasanalysator (80) hindurchtretende Gas mittels der
Abscheidevorrichtung (46) gereinigt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Pumpe (90), in einer von der zum Gasanalysator (80)
fahrenden Leitung abzweigenden Pumpleitung (78) derart
angeordnet ist, dass mit der Pumpe (90) der Druck des
Prüfgases steuerbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Prüfvorrichtung (50) Leitungen aus Edelstahl
verwendet, die elektropoliert sind.
11. Verfahren zum Betreiben einer CVD-Vorrichtung nach
mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das
Verfahren folgende Schritte aufweist:
- a) Sammeln einer Stichprobe des Gases aus der Prozesskammer (10) in der Prüfvorrichtung (50);
- b) Ausheizen und damit Ausgasen, um den anfänglichen Hintergrunddruck des Gasanalysators (80) unter einen vorbestimmten Wert zu bekommen;
- c) Durchführen einer Verunreinigungsanalyse für jede Prozessgas-Versorgungsleitung;
- d) Durchführen des Beschichtungsverfahrens für die Halbleiter-Wafer in der Prozesskammer (10);
- e) Entladen der Wafer nach dem obigen Verfahren und Abpumpen des verbrauchten Gases aus der Prozesskammer (10); und
- f) Reinigen des Inneren der Prozesskammer (10) während eines unmittelbaren Einleitens eines Reinigungsgases in die Prozesskammer (10).
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
als Reinigungsgas ClF3 verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Prüfvorrichtung (50) und der Gasanalysator (80)
kontinuierlich unter Verwendung eines Spülgases gespült
werden, bevor das Prüfen durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
der Druckbereich in der Prüfvorrichtung (50) auf gleichen
Niveau wie der in der Prozesskammer (10) gehalten wird.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Verunreinigungsanalyse der Prozessgas-
Versorgungsleitung mittels des Durchflusses von
Stickstoffgas durch die einzelnen voneinander getrennten
Prozessgas-Versorgungsleitungen durchgeführt wird,
wodurch auf ein Leck geprüft wird.
16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die Reinigung durchgeführt wird, indem gleichmäßig eine
vorbestimmte Menge von Stickstoffgas und ClF3-Gas als
Reinigungsgas eingeleitet werden, während der Druck und
die Temperatur in der Prozesskammer (10) jeweils konstant
gehalten werden, bis der Gasanalysator (80) das Ende der
Reinigung ermittelt hat.
17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die Partikel in der Prozesskammer (10) vor bzw. nach dem
Reinigungsverfahren gemessen werden.
18. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die Metall-/Ionen-Verunreinigungen in der Prozesskammer
(10) vor bzw. nach dem Reinigungsverfahren gemessen
werden.
19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass
zum Optimieren des Reinigungsverfahrens im Anschluß an
die Beschickung der Halbleiter-Wafer eine Reinigung der
Prozesskammer (10) durch Einleiten einer vorbestimmten
Menge von Stickstoffgas und ClF3 als Reinigungsgas
durchgeführt wird, wobei in der Prozesskammer (10) der
Druck und die Temperatur gegenüber den Werten der
vorhergehenden Reinigung verändert werden, bis der
Gasanalysator (80) das Ende des Reinigungsverfahrens
ermittelt hat.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass
das Ende des Reinigungsverfahrens mit Hilfe des
Schnittpunktes der Intensität des Ätzgases mit der
Intensität der Ätzprodukte bestimmt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Silizium aufweisende Schicht auf einem Wafer
ausgebildet wird.
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