DE19832566C2

DE19832566C2 - Niederdruck-CVD-Vorrichtung für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, ihr Betriebsverfahren und Optimierungsverfahren eines Reinigungsverfahrens für eine Prozesskammer

Info

Publication number: DE19832566C2
Application number: DE19832566A
Authority: DE
Inventors: Baik-Soon Choi; Jung-Il An; Jin-Sung Kim; Jung-Ki Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1998-07-20
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2018-07-21
Also published as: DE19832566A1; US20010019896A1; CN1117887C; GB2331107B; JPH11145067A; JP4005229B2; KR100253089B1; GB2331107A; US6432838B1; CN1215764A; US6279503B1; US6664119B2; TW376537B; KR19990034410A; GB9812786D0

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^-26kg (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

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.

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.