DE69424099T2

DE69424099T2 - Niedertemperaturreinigung von Kaltwand-CVD-Einrichtungen

Info

Publication number: DE69424099T2
Application number: DE69424099T
Authority: DE
Inventors: David Carlson; James C. Hann; H. Peter W. Hey
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1994-07-05
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2014-07-06
Also published as: EP0857796A3; JPH0778808A; EP0857796A2; EP0638923A2; EP0638923A3; EP0638923B1; US5421957A; DE69424099D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insgesamt auf ein verbessertes Verfahren zum Ätzen einer Kammer für die chemische Dampfabscheidung (im folgenden CVD) mit kalter Wand, und insbesondere auf ein verbessertes Verfahren für eine In-situ-Reinigung einer im wesentlichen feuchtigkeitsfreien CVD-Kammer mit kalter Wand durch einen Ätzprozeß bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck unter Verwendung eines reaktiven Gases in Form von Stickstofftrifluorid, Chlortrifluorid, Schwefelhexafluorid, Tetrafluorkohlenstoff oder dergleichen oder Mischungen davon.
In dieser Beschreibung wird auf die Drucke in Torr Bezug genommen. Ein Torr entspricht 1,33322 · 10² N/m², wobei Bezugnahmen auf Torr-Werte entsprechend zu verstehen sind. An einigen Stellen wird auch Bezug auf Dicken in Ångström (Å) genommen. Die Einheit 1 Ångström entspricht 0,1 Nanometer.
Neueste technologische Fortschritte bei der Steigerung der Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen werden durch Fortschritte in der Halbleiterbehandlung möglich. Bestimmte fortgeschrittene Behandlungstechniken erfordern, daß ein Halbleiterbauelement einem Reaktionsteilnehmergas unter sorgfältig gesteuerten Bedingungen mit erhöhter Temperatur, Drucken unter dem Umgebungsdruck und einem gleichförmigen Reaktionsteilnehmergasstrom ausgesetzt wird. Beispiele solcher Behandlungen sind die Niederdruck-CVD, die CVD bei reduziertem Druck und eine selektive Epitaxialabscheidung.
Für die Abscheidung verschiedener Halbleitermaterialien auf Siliziumwafern hat man in den letzten Jahren Kaltwand-CVD-Systeme verwendet. Ein solches Niederdruck-CVD-System ist ein Einzelwafer-Kaltwand-CVD-System, das eine CVD-Kammer mit hohem Durchsatz verwendet. Strengere Normen der Filmqualität und zunehmende Wafergrößen, wie sie in jüngster Zeit verwendet werden, führen die Ausrüstungstechnologie weg von sehr großen Chargensystemen zur Einzelwaferbehandlung. Die Einzelwafer- Behandlungsausrüstung ist als ein integriertes Behandlungssystem mit einer Mehrfachkammerbündelung, bei dem Ladeschleusensysteme verwendet werden, so daß ein Wafer von einer Einzelwaferbehandlungskammer in eine andere durch ein zentrales Ladeschleusensystem transportiert werden kann, ohne das Vakuum zu unterbrechen.
Eine typische Einzelwafer-Kaltwand-CVD-Kammer wird durch Strahlung beheizt, wodurch eine genaue Temperatursteuerung im Bereich von etwa 500ºC bis etwa 1000ºC möglich ist. Der Wafer wird auf einem. Suszeptor angeordnet, die eine mit Siliziumcarbid beschichtete Graphitscheibe ist, und erhält eine gleichförmige Abscheidung von Materialien auf der Waferoberfläche. Der Suszeptor kann durch einen Motor während der Abscheidung gedreht werden, um die Gleichförmigkeit der Beschichtung zu verbessern. Diese Art eines thermischen Reaktors für die Halbleiterbehandlung sorgt für einen hohen Durchsatz, eine flexible thermische Steuerung und eine Behandlungsgleichförmigkeit für große Wafer bei Umgebungsdrucken und reduzierten Drucken.
In die CVD-Kammer treten Reaktionsteilnehmergase ein und erzeugen Filme aus verschiedenen elektronischen Materialien auf der Oberfläche eines Wafers für verschiedene Zwecke, beispielsweise Metallisierungsschichten, dielektrische Schichten, Isolierschichten usw. Zu den verschiedenen abgeschiedenen elektronischen Materialien gehören Epitaxialsilizium, Polysilizium, Siliziumnitrid, Siliziumoxyd und feuerfeste Metalle, wie Titan, Wolfram und ihre Silicide. Bei diesen Filmabscheidungsprozessen wird der größte Teil des Materials aus den reaktiven Gasen auf der Waferoberfläche abgeschieden. Es ist jedoch nicht zu vermeiden, daß eine kleine Materialmenge auf erhitzten Flächen innerhalb der Kammer anstatt auf dem Wafer abgeschieden wird. Dies ergibt sich auch bei einem Kaltwand- CVD-System, bei welchem die Kammerwand durch Umwälzung von Kühlluft außerhalb der Kammer kalt gehalten wird, um eine Abscheidung von Materialien auf der Wand zu vermeiden.
Es ist deshalb nach einer bestimmten Anzahl von Abscheidungsprozessen erforderlich, die erhitzte Oberfläche innerhalb der Kammer von abgeschiedenen Materialien zu reinigen. Diese erhitzten Oberflächen umfassen die freiliegende Oberfläche des Suszeptors, die Oberfläche des Vorheizrings und andere erhitzte Oberflächen innerhalb der Kammer.
Man hat verschiedene In-situ-Reinigungsverfahren zum Reinigen der Kammeroberfläche eines CVD-Systems entwickelt. Diese Insitu-Reinigungsverfahren sind eine Verbesserung gegenüber dem herkömmlichen nassen chemischen Reinigungsverfahren, bei dem die Bauteile demontiert werden und in starken Säuren gereinigt werden müssen, was zu hohen Arbeitskosten und Stillstandszeiten führt.
Es wurden bereits verschiedene In-situ-Kammerreinigungsverfahren von anderen vorgeschlagen. So verwenden beispielseise herkömmliche Silizium- und Polysiliziumprozesse Chlorwasserstoffgas (HCl) bei hohen Temperaturen, d. h. in dem Bereich zwischen 1100ºC bis 1200ºC für die Kammerreinigung. Andere haben eine Plasmakammer bei niedrigen Temperaturen, d. h. bei weniger als 400ºC, mit verschiedenen Chemikalien gereinigt. Eines der bei diesen Reinigungsverfahren verwendeten Reinigungsgasen war Stickstofftrifluorid (NF&sub3;).
Wenn Stickstofftrifluorid bei hohen Temperaturen oder mit einem Plasma verwendet wird, ist es extrem aggressiv und ätzt fast alle Materialien in der Kammer, einschließlich Quarz, Siliziumcarbid und alle Metalle. Man hat Stickstofftrifluorid auch in Heißwand-CVD-Systemen ohne ein Plasma verwendet. Dabei können jedoch die Quarzkammerwände stark geätzt werden, und jegliche Feuchtigkeit ändert die Ätzeigenschaften aufgrund der Bildung des extrem reaktiven Wasserstofffluorids (HF) beträchtlich.
Ein zum Stand der Technik gehörendes Verfahren, das Stickstofftrifluorid als In-situ-Reinigungsmittel zum Reinigen von CVD-Bauelementen verwendet, ist in der veröffentlichten UK- Patentanmeldung GB 2183204 A offenbart. Dabei wird Stickstofftrifluorid in einen beheizten CVD-Reaktor unter einem Partialdruck über einen Zeitraum eingeführt, der ausreicht, um die abgeschiedenen Materialfilme wegzureinigen. Die Temperatur der erhitzten Kammer für die Reinigung lag zwischen 380ºC und 500ºC, und der Druck des verwendeten reinen Stickstofftrifluoridgases lag zwischen 200 und 600 Torr. Die Veröffentlichung schlägt vor, daß, da Stickstofftrifluorid hochtoxisch und unter Druck explosiv ist, es erwünscht ist, niedrige Drucke für das Stickstofftrifluorid aus Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltgründen zu verwenden, auch wenn dadurch nur nicht-akzeptable, niedrige Ätzgeschwindigkeiten bei solchen niedrigen Kammerdrucken verwirklicht werden können. Zu vermerken ist, daß der durch die Veröffentlichung offenbarte Temperaturbereich sehr niedrig ist, d. h. 380ºC~500ºC. Es ist aufgrund der Tatsache erforderlich, daß in der Kammer Feuchte vorhanden war, die zur Bildung von Wasserstofffluorid beitrug. Der niedrigere Temperaturbereich war erforderlich, um die Reaktivität des Wasserstofffluorids in Schranken zu halten, damit der Ätzschaden an den Kammerbauelementen verringert wird.
Die EP-A-0 354 853 offenbart eine Plasma-CVD-Vorrichtung zur Herstellung einer amorphen Siliziumphotodiode, bei welcher vor der Bildung eines amorphen Siliziumfilms die Innenseite der CVD-Vorrichtung unter Verwendung eines Plasmaätzprozesses gereinigt wird, um restliche Kohlenstoffverbindung zu entfernen. Das Ätzgas kann Stickstofftrifluorid oder Tetrafluorkohlenstoff sein. Da jedoch das letztere Gas Kohlenstoff enthält, ist es auch erforderlich, einen ersten Plasmaätzprozeß unter Verwendung eines Gemisches von Tetrafluorkohlenstoff und Sauerstoff und einen zweiten Plasmaätzprozeß unter Verwendung von nur Sauerstoffgas über einen relativ langen Zeitraum auszuführen.
Die DE-A-44 17 205 offenbart ein Verfahren zum Reinigen einer Behandlungskammer für Halbleiterbauelemente unter Verwendung von wasserfreiem HF-Gas und einem Interhalogengas. Mit diesem Verfahren werden Abscheidungen, die an den Innenwänden der Behandlungskammer haften, entfernt.
Die FR-A-2 465 791 offenbart ein thermisches Reinigungsverfahren für einen CVD-Reaktor, wobei ein Trockenätzgas, wie Wasserstofffluorid, verwendet wird.
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine In-situ-Reinigung einer Kaltwand-CVD-Kammer durch ein reaktives Gas bereitzustellen, welches die Nachteile der herkömmlichen nassen chemischen Reinigungsverfahren nicht aufweist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren einer In-situ-Reinigung einer Kaltwand-CVD-Kammer mit einem reaktiven Gas bei einem ausreichend niedrigen Druck bereitzustellen, während eine ausreichende Ätzrate aufrechterhalten wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren einer In-situ-Reinigung einer Kaltwand-CVD-Kammer mit einem reaktiven Gas bereitzustellen, indem für eine im wesentlichen feuchtigkeitsfreie Kammerumgebung gesorgt wird, so daß ein reaktives Gas bei einem ausreichend niedrigen Druck verwendet werden kann, während eine zufriedenstellende Ätzrate aufrechterhalten wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ätzgassystem für eine In-situ-Reinigung einer Kaltwand- CVD-Kammer bereitzustellen, das bei niedrigen Drucken und bei niedrigen Kammertemperaturen in einer im wesentlichen feuchtigkeitsfreien Umgebung zur Erzielung einer hohen Ätzrate eingesetzt werden kann.
Diese Erfindung stellt ein Verfahren zum Reinigen einer Kammer für die chemische Dampfabscheidung mit kalter Wand unter Ver wendung eines reaktiven Ätzgases bereit, das auf einen abgeschiedenen Film aufgebracht wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- Bestimmen, wann ein Feuchtegehalt der Kammer weniger als 10 Volumenteile pro Million bei einem vorher festgelegten Kammerdruck von weniger als 150 Torr und bei einer vorher festgelegten Kammertemperatur von bis zu 775ºC beträgt, und
- Aufbringen wenigstens eines reaktiven Gases auf einen abgeschiedenen Film, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Stickstofftrifluorid, Chlortrifluorid, Schwefelhexafluorid und Tetrafluorkohlenstoff besteht.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen
Fig. 1 eine Schnittansicht einer typischen Einzelwafer-Kaltwand-CVD-Vorrichtung ist, und
Fig. 2 ein Diagramm ist, welches die Ätzrate als eine Funktion der Ätztemperaturen für Stickstofftrifluorid und Chlortrifluorid zeigt.
Die vorliegende Erfindung offenbart ein verbessertes Verfahren der Verwendung eines reaktiven Ätzgases für die In-situ-Reinigung einer Kaltwand-CVD-Kammer, die eine im wesentlichen feuchtigkeitsfreie Umgebung hat.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine Schnittansicht einer typischen CVD-Vorrichtung mit Kaltwand für einen Einzelwafer zeigt. Die Figur zeigt einen thermischen Reaktor 10 zum Behandeln von Halbleiterwafern mit einem Gehäuse 12, einem Doppeldom-Reaktorbehälter 14, der hauptsächlich aus Quarz hergestellt ist und eine Reaktorkammer 16 bildet, einem Gaseinlaßverteiler 18, einer Gasauslaßsammelleitung 26, einem Strahlungsheizsystem 20, einer Antriebsanordnung 22, einem Suszeptor 24 und einem Vorheizring 28. Der gezeigte Reaktor 10 benutzt kein Plasma für die Abscheidung oder die Reinigung. Der Doppeldom-Reaktorbehälter 14 hat einen oberen Dom 30 und einen unteren Dom 32 aus Quarz, die durch umlaufende Kühlluft gekühlt werden, so daß eine kalte Wand, d. h. bei 100~200ºC aufrechterhalten wird. Die Antriebsanordnung 22 ist mit einem Motor (nicht gezeigt) verbunden, um den Suszeptor 24 während des Abscheidungsprozesses zu drehen, damit die Beschichtungsgleichförmigkeit für den Wafer gesteigert wird, der auf der Oberseite des Suszeptors 24 gehalten ist. Die kalte Wand ist ein wesentliches Merkmal des vorliegenden Einzelwafersystems, da es die Abscheidung von Halbleitermaterialien auf der Wand während der Kammerreinigung unterbindet.
Wenn wiederholte Abscheidungsprozesse in der Kammer 16 ausgeführt sind, sind die Oberseiten des Umfangsrandes des Suszeptors 24 und des Vorheizrings 28 mit einem Film aus abgeschiedenem Material bedeckt. Der Suszeptor 24 ist gewöhnlich als eine dünne Platte wegen einer niedrigen thermischen Masse gebaut und von einem Rand für die Steifigkeit umgeben. Der Durchmesser eines Suszeptor in einem typischen Reaktionsbehälter beträgt etwa 8 Zoll (240 mm), während die Durchmesser der zu beschichtenden Wafer normalerweise 6 oder 8 Zoll (150 oder 200 mm) betragen. Der Abscheidung von Halbleitermaterial ist deshalb eine Umfangsfläche frei ausgesetzt. Der Suszeptor 24 ist gewöhnlich aus Graphit hergestellt und mit einer Siliziumcarbidbeschichtung überzogen, so daß er bis auf die Abscheidungstemperatur ohne merkliche Verunreinigung erhitzt werden kann.
Der Vorheizring 28 dichtet den Spalt zwischen dem Suszeptor und dem Quarzfutter 34 des Reaktorbehälters 14 im wesentlichen ab, um den Wärmeverlust vom Rand des Suszeptors aus zu regulieren. Der Vorheizring 28 ist aus Graphitmaterial hergestellt, das mit Siliziumcarbid zum Absorbieren von Strahlungswärme aus den Heizeinrichtungen 20 beschichtet ist. Es kann auch ein Quarz-Vorheizring verwendet werden. Die Oberseite 36 des Vorheizrings 28 ist dem sich abscheidenden Material ausgesetzt und sammelt deshalb einen Film eines solchen Materials aufgrund der Tatsache, daß der Ring auf Abscheidungstemperatur erhitzt ist.
Man hat beobachtet, daß nach einer ausreichenden Anzahl von Abscheidungsprozessen, d. h. etwa 25~75 Prozessen für die meisten Materialien, ein Film mit ausreichender Dicke im Bereich zwischen 1 bis 5 um sich auf dem Suszeptor und dem Vorheizring aufbaut. Wenn diese unerwünschten Filme nicht weggereinigt oder weggeätzt werden, können sie den Heizwirkungsgrad der Graphitteile verschlechtern. Diese unerwünschten Filme können auch Ursachen für eine Verunreinigung sein und die Prozeßintegrität unterbrechen.
Durch Verwendung des vorliegenden verbesserten Verfahrens der In-situ-Reinigung können Filme verschiedener Materialien, wie Epitaxialsilizium, Polysilizium, Siliziumnitrid, Siliziumoxyd, feuerfeste Metalle, wie Titan, Wolfram und ihre Silicide wirksam weggeätzt werden.
Es wurde gefunden, daß ein wirksamer Weg zur Überwindung der Nachteile des Verfahrens nach dem Stand der Technik darin besteht, die Reaktorkammer im wesentlichen feuchtefrei zu machen. Unter im wesentlichen feuchtefrei ist eine Umgebung zu verstehen, die einen Feuchtegehalt von weniger als 10 Volumenteile pro Million (ppm) hat. Stärker bevorzugt wird eine Umgebung, die einen Feuchtegehalt von weniger als 2 ppm hat.
Der Feuchtegehalt einer Reaktorkammer kann mit einem typischen Restgas-Analysatorverfahren gemessen werden, das für Vakuumsysteme benutzt wird. Ein solcher Analysator, der bei der vorliegenden Arbeit verwendet wird, ist Inficon Quadrex 200, Modell Nr. 901-002-G1, der von der Leybold Inficon Co., East Syracuse, N. Y., hergestellt wird.
Eine im wesentlichen feuchtefreie Umgebung wird in einer Reak torkammer erreicht, die mit einem Ladeschleusen-Überführungssystem versehen ist. In einem solchen System kann ein Wafer von einer Einzelwaferbehandlungskammer oder einem Einzelwafermodul zu einer anderen durch ein zentrales Ladeschleusensystem hindurch ohne Vakuumunterbrechung transportiert werden. Ein solches System für die chemische Dampfabscheidung wird von Applied Materials Corporation, Santa Clara, Kalifornien, unter der Marke Centura® HT Poly geliefert.
Eine im wesentlichen feuchtefreie Umgebung minimiert die Möglichkeit der Bildung von Wasserstofffluorid, das mit in der Reaktorkammer verwendeten Quarzbauteilen extrem reaktiv ist. Seine Reaktivität ist bei höheren Temperaturen höher. Es wurde beobachtet, daß die Quarzwand einer CVD-Kammer bei einem Feuchtegehalt von 10 ppm und bei einer Kammertemperatur von 500ºC stark geätzt wird.
Das neue Verfahren der In-situ-Reinigung einer CVD-Kammer erzielt ein synergistisches Ergebnis, wenn es in einer im wesentlichen feuchtefreien Umgebung und bei einer geeigneten Reaktionstemperatur ausgeführt wird, die höher ist als die im Stand der Technik offenbarte. Der durch diese einzigartigen Behandlungsbedingungen erreichte Synergismus ermöglicht die Verwendung von reaktiven Gasen bei sehr niedrigem Druck, während eine zufriedenstellende Ätzrate aufrechterhalten wird. Der sich ergebende niedrige Durck der verwendeten reaktiven Gase überwindet die Nachteile des Verfahrens nach dem Stand der Technik. Der Stand der Technik offenbart, daß zur Aufrechterhaltung einer akzeptablen Ätzrate ein hoher Gasdruck verwendet werden muß, der Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltprobleme verursacht. Auch bei derartigen hohen Gasdrucken ist die mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik erreichte Ätzrate niedriger als die mit der vorliegenden Erfindung erreichte.
An Filmen aus Siliziumnitrid, Siliziumoxyd und Polysilizium wird unter Verwendung von Stickstofftrifluoridgas, Chlortri fluoridgas, Schwellelhexafluoridgas und Tetrafluoridkohlenstoffgas eine Reihe von Ätzversuchen durchgeführt.
Tabelle I zeigt die Versuchsergebnisse, die unter Verwendung von Stickstofftrifluorid bei verschiedenen Kammertemperaturen und verschiedenen Kammerdrucken erhalten werden. Der Feuchtegehalt der Kammer liegt bei allen Versuchen unter 1 ppm. Anzumerken ist, daß die aufgezeigte Kammertemperatur die Temperatur gemessen an der Oberfläche eines Suszeptors ist. Bei diesen Versuchen wurde als Trägergas ein Inertgas in Form von Stickstoff verwendet. Es können jedoch auch andere Inertgase, wie Helium, Argon oder dergleichen verwendet werden. TABELLE I
Die Versuchsergebnisse in Tabelle I zeigen auf, daß Stickstofftrifluorid ein wirksames Ätzgas zum Reinigen von Kaltwand-CVD-Kammern auch bei einer niedrigen Temperatur von 650ºC und einem niedrigen Druck von 12 Torr ist. Die erforderliche Reinigungszeit bei verschiedenen Temperaturen und Drucken liegt im Bereich zwischen 0,25 Minuten bis 1 Minute. Die Versuche wurden bei verschiedenen Volumenstromverhältnissen zwischen dem Ätzgas NF&sub3; und dem Trägergas N&sub2; durchgeführt. Temperaturen höher als 775ºC und Drucke höher als 100 Torr können ebenfalls eingesetzt werden, um eine gewünschte Ätzrate zu erreichen.
Die Versuche Nr. 1 bis Nr. 4 wurden bei einer Kammertemperatur von 650ºC und bei zwei unterschiedlichen Kammerdrucken von 20 und 100 Torr für eine Reinigungszeit von 1 Minute durchgeführt. Man sieht, daß, wenn der Durchsatz von NF&sub3; erhöht wird, so daß der gesamte Volumenprozentsatz von NF&sub3; 20% erreicht, in den meisten Fällen die Ätzraten auch zunehmen. Es wurden sogar höhere Durchsätze von NF&sub3; verwendet zur Erzielung eines Gesamtvolumenprozentsatzes von NF&sub3;, der höher als 20% ist, um in gleicher Weise zufriedenstellende Ergebnisse zu erhalten.
Die Versuche Nr. 5 bis Nr. 8 wurden bei einer Kammertemperatur von 700ºC und bei zwei Kammerdrucken von 20 und 100 Torr über eine Reinigungszeit von 1 bzw. 0,5 Minuten durchgeführt. Man sieht, daß bei der gleichen Temperatur, bei gleichem Zeitraum und gleichem Durchsatzverhältnis die Steigerung des Kammerdrucks von 20 auf 100 Torr (Versuch Nr. 5 und Versuch Nr. 6) zu einer drastischen Steigerung der Ätzraten für alle drei Filme führte. Die Erhöhung des Durchsatzverhältnisses allein, d. h. von 15 Volumenprozent NF&sub3; (Versuch Nr. 7) auf 20 Volumenprozent NF&sub3; (Versuch Nr. 8), weist nur einen minimalen Effekt auf die Ätzrate für alle drei abgeschiedenen Filme aus.
Versuch Nr. 9 wurde bei 725ºC und 100 Torr über 0,5 Minuten durchgeführt. Die an den Filmen erhaltenen Ätzraten waren ähnlich denen, die bei Versuch Nr. 7 erhalten wurden, was zeigt, daß der Effekt einer Steigerung der Temperatur um 25ºC durch die Verringerung des Volumenprozentsatzes von NF&sub3; um 5% annähernd ausgeglichen wird.
Die Versuche Nr. 10 bis Nr. 18 wurden bei einer Kammertemperatur von 750ºC bei drei unterschiedlichen Kammerdrucken von 12, 20 bzw. 100 Torr und bei drei verschiedenen Reinigungszeiträumen von 0,25, 0,5 bzw. 1 Minute ausgeführt. Man beobachtet den generellen Trend des Effekts der Temperatur, des Drucks, der Reinigungszeit und des Durchsatzverhältnisses auf die Ätzrate. Beispielsweise zeigen die Versuche Nr. 10, Nr. 11 und Nr. 15, daß bei einer konstanten Kammertemperatur von 750ºC, bei einer konstanten Reinigungszeit von 1 Minute und bei einem konstan ten Volumenprozentsatz für NF&sub3; von 0,005 die Ätzrate drastisch zunimmt, wenn der Kammerdruck von 12 auf 20 und dann auf 100 Torr erhöht wird. Anzumerken ist, daß aufgrund der Vorrichtungsbegrenzungen die Datengenauigkeit bei sehr niedrigen Ätzraten nicht so gut wie bei höheren Ätzraten ist. Die bei einer konstanten Kammertemperatur von 750ºC, einem konstanten Kammerdruck von 20 Torr und einer konstanten Reinigungszeit von 1 Minute (Versuch Nr. 11, Nr. 12, Nr. 13 und Nr. 14) erhaltenen Versuchsdaten zeigen, daß die Ätzrate direkt proportional zu dem Volumenprozentsatz von NF&sub3; ist. Eine ähnliche Ätzratenabhängigkeit vom Volumenprozentsatz von NF&sub3; wird auch bei den Versuchen Nr. 16, Nr. 17 und Nr. 1 : 8 beobachtet.
Versuch Nr. 19 wurde bei einer Temperatur an 775ºC, 100 Torr, einer Reinigungszeit von 0,5 Minuten und einem Volumenprozentsatz für NF&sub3; von 0,1 durchgeführt. Verglichen mit den in Versuch Nr. 16 erhaltenen Daten zeigt sich, daß die Ätzraten für die drei Filme aufgrund der höheren eingesetzten Kammertemperatur, d. h. 775ºC gegenüber 750ºC, verbessert werden.
Tabelle I zeigt deutlich, daß ein stark verbessertes und synergistisches Ergebnis durch das vorliegende Reinigungsverfahren verglichen mit dem erreicht wird, das durch das Verfahren durch den Stand der Technik offenbart ist. Durch Kombinieren von zwei unerwarteten und ungewöhnlichen Prozeßbedingungen, d. h. eine feuchtefreie Kammerumgebung und eine Temperatur, die höher ist als bei der Kammer nach dem Stand der Technik, werden stark verbesserte Ätzraten bei sehr niedrigen Kammerdrucken erreicht. Das vorliegende verbesserte Reinigungsverfahren ermöglicht deshalb eine effektive Ausführung einer Kaltwand-CVD-Kammerreinigung bei einer zufriedenstellenden Ätzrate, wobei Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltbedenken im wesentlichen ausgeräumt sind.
Tabelle II gibt die Daten wieder, die bei verschiedenen Kammertemperaturen, verschiedenen Kammerdrucken, verschiedenen Reinigungszeiträumen und verschiedenen Volumenprozentsätzen für das Reinigungsgas Chlortrifluorid (ClF&sub3;) erhalten werden. Der Feuchtegehalt der Kammer liegt bei allen Versuchen unter 1 ppm. TABELLE II
Es hat sich gezeigt, daß das Ätzgas ClF&sub3; bei einer Kammertemperatur und bei einem Kammerdruck verwendet werden kann, die niedriger sind als die für NF&sub3;. Versuch Nr. 20 zeigt beispielsweise, daß auch bei einer niedrigen Kammertemperatur von 550ºC und bei einem niedrigen Kammerdruck von 20 Torr Nitridfilme bei 7 Vol.-% ClF&sub3; geätzt werden können. Insgesamt hat ClF&sub3; eine hohe Selektivität für Polysiliziumfilme gegenüber Nitridfilmen. Zu erwähnen ist, daß das vorliegende verbesserte Reinigungsverfahren auch bei Kammertemperaturen unter 550ºC arbeitet, auch wenn Temperaturen über 550ºC bevorzugter sind. Als geeignet kann ein Kammerdruck zwischen 5 bis 50 Torr verwendet werden.
Die Versuche Nr. 21 und Nr. 22 geben Daten, die bei 600ºC Kammertemperatur, 20 Torr Kammerdruck und 7 Vol.-% ClF&sub3; erhalten werden, wobei eine Erhöhung der Reinigungszeit von 1 Minute auf 3 Minuten keinen Einfluß auf die Ätzrate für Nitridfilme hat. Dies ist wahrscheinlich dem extrem niedrigen Durchsatz und dem sich ergebenden niedrigen Volumenprozentsatz von ClF&sub3; zuzuordnen.
Die in den Versuchen Nr. 23 ~ Nr. 26 erhaltenen Daten zeigen, daß bei einer konstanten Kammertemperatur von 600ºC, bei einem konstanten Kammerdruck von 20 Torr und bei einer konstanten Reinigungszeit von 0,17 Minuten eine Erhöhung des Volumenprozentsatzes von ClF&sub3; die Ätzraten für alle drei erhöht. Anzumerken ist, daß die Ätzrate für ClF&sub3; beträchtlich höher ist als die für NF&sub3;, auch wenn die ClF&sub3;-Ätzung bei einer niedrigeren Kammertemperatur und über einen kürzeren Reinigungszeitraum durchgeführt wird.
Die Versuche Nr. 27 und Nr. 28 wurden bei einer höheren Kammertemperatur von 625ºC durchgeführt. Vergleicht man Versuch Nr. 27 mit Versuch Nr. 23, so sieht man, daß eine Erhöhung der Kammertemperatur um 25ºC eine positive Auswirkung auf die Ätzraten für alle drei Filme hat.
Die Versuche Nr. 29 bis Nr. 35 wurden bei einer konstanten Kammertemperatur von 650ºC und bei einem konstanten Kammerdruck von 20 Torr durchgeführt. Wenn man die Daten, die man bei den Versuchen Nr. 29, Nr. 30, Nr. 31 und Nr. 32 erhält, vergleicht, sieht man, daß der Volumenprozentsatz von ClF&sub3; ei nen deutlicheren Einfluß auf die Ätzraten für alle drei Filme als der Ätzzeitraum hat. Für bei der gleichen Temperatur, dem gleichen Druck und dem gleichen Zeitraum (Versuche Nr. 33 bis Nr. 35) durchgeführte Versuche sind die Ätzraten für alle drei Filme direkt proportional dem Volumenprozentsatz von ClF&sub3;.
Die Versuchsdaten, die man bei Verwendung der Ätzgase NF&sub3; und ClF&sub3; erhält, sind auch in Fig. 2 dargestellt. Man sieht, daß wenigstens für Siliziumnitrid- und Polysiliziumfilme ClF&sub3; als Ätzgas wirksamer als NF&sub3; ist. Man sieht auch, daß die Ätzrate von ClF&sub3; auf Polysiliziumfilmen extrem hoch ist. Dies ist ein Vorteil, der durch die vorliegende Erfindung dadurch möglich gemacht wird, daß ClF&sub3; eine höhere Selektivität zwischen Polysiliziumfilmen und Siliziumnitridfilmen ergibt.
Zu vermerken ist, daß Fig. 2 zeigt, daß für ClF&sub3; die effektive Ätztemperatur, d. h. 600~650ºC, und der effektive Ätzdruck, d. h. 20~100 Torr, mit der normalen Abscheidetemperatur und dem normalen Abscheidedruck für Polysilizium zusammenfällt. Dies bietet einen weiteren Behandlungsvorteil, der durch die vorliegende Erfindung möglich gemacht wird, indem eine In-situ- Reinigung bei der gleichen Kammertemperatur und dem gleichen Kammerdruck wirksam durchgeführt werden kann, wie sie für die Abscheidung verwendet werden, ohne daß irgendwelche Änderungen erforderlich sind. Dies spart beträchtliche Stillstandszeit, die normalerweise für eine In-situ-Reinigung erforderlich ist, bei welcher die Kammertemperatur von einer Abscheidetemperatur auf eine Reinigungstemperatur geändert werden muß.
Für NF&sub3; zeigt Fig. 2, daß die Ätzraten sowohl für Siliziumnitridfilme als auch für Polysiliziumfilme im wesentlichen die gleichen sind. Außerdem sind die Ätztemperatur und der Ätzdruck, die für den Siliziumfilm erforderlich sind, d. h. etwa 700~750ºC bzw. etwa 20~100 Torr für den Abscheidungsprozeß solcher Filme annähernd gleich. Dies bildet einen weiteren Behandlungsvorteil, der durch die vorliegende Erfindung möglich wird, indem die Kammertemperatur sowohl für den Abscheidungs prozeß als auch für den Reinigungsprozeß von Siliziumnitridfilmen konstant gehalten werden kann.
Obwohl spezielle Daten für die Ätzgase Schwefelhexafluorid und Tetrafluorkohlenstoff nicht angegeben werden, wurden diese Gase erfolgreich beim Ätzen verschiedener Filme von Halbleitermaterialien in einem breiten Temperaturbereich und in einem breiten Druckbereich verwendet. Ähnlich wie NF&sub3; und ClF&sub3; dissoziieren Schwefelhexafluorid und Tetrafluorkohlenstoff ebenfalls bei höheren Temperaturen, um für das Ätzen freies Fluor zu erzeugen. Man fand, daß die Ätzraten unter Verwendung von SF&sub6; und CF&sub4; bei der gleichen Ätztemperatur niedriger sind als diejenigen, die durch Verwendung von NF&sub3; oder ClF&sub3; erreicht werden.
Besonders zu betonen ist, daß das vorliegende verbesserte CVD- Kammerreinigungsverfahren es ermöglicht, die Ätzgaschemie und die Ätzgasparameter artspezifisch an die speziellen Abscheidungsbedingungen eines Halbleiterfilms anzupassen. Dies schließt Anwendungen ein, bei denen reaktive Gase miteinander gemischt werden, um die Ätztemperatur und den Ätzdruck an ein spezielles Halbleiterfilmmaterial anzupassen und dadurch die Stillstandszeit für die Reinigung zu verringern oder auszuschließen.
Das neue CVD-Kammerreinigungsverfahren wurde als ein effektiver und vorteilhafter Prozeß zum Wegreinigen verschiedener Halbleiterfilme, d. h. Filme von Siliziumnitrid, Polysilizium, Siliziumoxyd und Epitaxialsilizium, von einer Kaltwand-CVD- Kammer dargestellt. Beispiele anderer Halbleiterfilme, die durch das vorliegende Verfahren weggereinigt werden können, sind Filme aus Titan, Wolfram, Titansilicid, Wolframsilicid oder dergleichen.

Claims

1. Verfahren zum Reinigen einer Kammer für die chemische Dampfabscheidung mit kalter Wand unter Verwendung eines reaktiven Ätzgases, das auf einen abgeschiedenen Film in einer im wesentlichen feuchtigkeitsfreien Atmosphäre aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte aufweist

- Bestimmen, wann ein Feuchtegehalt der Kammer weniger als 10 Volumenteile pro Million bei einem vorher festgelegten Kammerdruck von weniger als 20000 Pa (150 Torr) und bei einer vorher festgelegten Kammertemperatur von wenigstens 550ºC und bis zu 775ºC beträgt, und

- Aufbringen wenigstens eines reaktiven Gases auf einen abgeschiedenen Film, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Stickstofftrifluorid, Chlortrifluorid, Schwefelhexafluorid und Tetrafluorkohlenstoff besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschiedene Film aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Halbleitermaterial, Siliziumnitrid, Siliziumoxyd, Polysilizium, epitaxialem Silizium, Titan, Wolfram, Titansilicid und Wolframsilicid besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das wenigstens eine reaktive Gas Stickstofftrifluorid ist, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Gas bei einer Kammertemperatur im Bereich zwischen 650 bis 775ºC, bei einem Kammerdruck im Bereich zwischen 1600 bis 13330 Pa (12 bis 100 Torr) und bei einem Kammerwassergehalt von weniger als 2 Volumen-ppm aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das wenigstens eine reaktive Gas Chlortrifluorid ist, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Gas bei einer Kammertemperatur im Bereich zwischen 550 bis 650ºC, bei einem Kammerdruck im Bereich zwischen 666 bis 6660 Pa (5 bis 50 Torr) und bei einem Kammerwassergehalt von weniger als 2 Volumen-ppm aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches weiterhin die Schritte aufweist

- Erhitzen der Kammer auf wenigstens 550ºC,

- Evakuieren der Kammer auf einen Druck von weniger als 20000 Pa (150 Torr) und Bereitstellen des Drucks durch ein Gemisch von Gasen, welches das reaktive Gas und wenigstens ein Inertgas enthält, und

- Kontaktieren des abgeschiedenen Films in der Kammer mit dem Gemisch von Gasen über einem Zeitraum, der ausreicht, um den abgeschiedenen Film aus der Kammer durch Reinigen zu entfernen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenprozentsatz des wenigstens ein reaktiven Gases in dem Gemisch von Gasen wenigstens 0,1 beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitraum, der ausreicht, um den abgeschiedenen Film aus der Kammer durch Reinigen zu entfernen, vier Minuten oder weniger beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine reaktive Gas Schwefelhexafluorid ist, das bei einem Kammerwassergehalt von weniger als 2 Volumen-ppm aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine reaktive Gas Tetrafluorkohlenstoff ist, der bei einem Kammerwassergehalt von weniger als 2 Volumen-ppm aufgebracht wird.