JP2001068421A - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特殊なウェハ支持治具を用いることなくウェ
ハ面内の膜厚均一性を向上する。 【解決手段】 ｚ軸方向のガス流速ｖ（ｒ）を、ガス流
量の増加、またはウェハ３と内管２との間隔ａ−ｂの減
少により増加する。ｖ（ｒ）は、ｒ方向に速度勾配を有
し、ベルヌーイの定理からｒ方向に圧力差を生じる。こ
の圧力差により反応ガスはｒ方向に移動し、ｒ方向に−
ｄＣ／ｄｒの濃度勾配を生じる。これゆえウェハ３の周
辺部に付着し堆積しようとする反応ガスはｒ方向に移動
され、周辺部のガス濃度が低下し、ウェハ周辺部分の堆
積膜厚が減少して膜厚均一性を向上する。ガス流量はｚ
方向の圧力差ΔＰが１Ｐａ／ｍｏｌ以上好ましくは４Ｐ
ａ／ｍｏｌ以上となるようにする。また、間隔ａ−ｂを
４０ｍｍ以下好ましくは２０ｍｍ以下となるようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置お
よびそれを用いた半導体装置の製造技術に関し、特に、
付着性の高いガスを原料ガスに用いた場合の化学気相成
長法（ＣＶＤ法）による被膜形成の膜厚均一性の向上に
適用して有効な技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ（Large Scaled Integration cir
cuits ）の製造工程で用いられる薄膜形成装置につい
て、たとえば１９８３年７月２５日、株式会社工業調査
会発行、「最新ＬＳＩプロセス技術」、ｐ２２７〜ｐ２
２９に記載されているように、各種のＣＶＤ（Chemical
Vapor Deposition ）装置が知られている。

【０００３】また、たとえば特公平７−２７８７０号公
報には、縦型ＣＶＤ装置の膜厚均一化に関する技術が記
載されている。同公報に記載の技術は、反応管の内部に
複数の支柱を有する治具を内装し、該支柱に、ウェハ支
持用突起とオリエンテーションフラットに合わせた直線
部とを有する耐熱性リング状治具を多数固定し、前記突
起で基板ウェハの裏面が当接するように支持し、基板ウ
ェハの成長面（表面）が隣接するリング状治具に間隔付
けて面するようにし、加熱しつつ反応ガスを導入してウ
ェハ上に被膜を気相成長させるものである。このような
技術によれば、従来ウェハの周辺部が厚く形成され、膜
厚均一性が害されていたのに対し、基板ウェハをリング
状治具に間隔付けて面するようにすることによりウェハ
エッジ部（周辺部）の膜成長が抑制されてウェハ上に均
一な膜が形成できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記公報記載
の技術においては、以下の問題があることを本発明者ら
は認識した。

【０００５】すなわち、ジシラン（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）ガスを
用いてアモルファスシリコン膜を堆積するような場合、
ジシランガスのように反応性の高いガス、すなわち基板
への付着確率の高いガスを用いると、ガスはウェハ周辺
部に多く付着し堆積する。このため、ウェハ周辺部の膜
厚が厚くなり、ウェハ面内の膜厚均一性が良くないとい
う問題がある。このような問題を解決する手段として前
記した公報記載の技術であるリング状治具を用いる手段
がある。

【０００６】しかし、前記のようなリング状治具（リン
グボート）を用いれば、複数枚設置するウェハの間隔
（ウェハピッチ）が大きくなり、１バッチあたりの処理
枚数が少なくなる。また、ウェハを支持する治具の形状
が複雑となりメンテナンス等の管理が難しくなるという
問題がある。

【０００７】さらに、ウェハピッチを最適化してウェハ
面内の膜厚均一性を向上する手法が考え得るが、本発明
者らの検討によれば、図１５に示すように、ジシランガ
スによるアモルファスシリコン膜の成膜においてはウェ
ハピッチを３倍程度変化させても有意な膜厚均一性の向
上結果が得られないという知見を得ている。

【０００８】本発明の目的は、特殊なウェハ支持治具を
用いることなくウェハ面内の膜厚均一性を向上する手法
を提供することにある。

【０００９】また、本本発明の他の目的は、ウェハピッ
チを小さくして１バッチあたりの処理枚数、すなわちウ
ェハのスループットを向上することにある。

【００１０】さらに、本発明の目的は、ウェハピッチに
よらずウェハ面内の膜厚均一性を向上することにある。

【００１１】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
次のとおりである。

【００１３】本発明の半導体製造装置は、上下方向に離
間して複数枚のウェハがその主面を上面として支持され
る支持部材と、支持部材がその内部に配置される円筒状
の内管と、支持部材および内管がその内部に配置される
反応室と、ウェハが加熱される加熱手段とを有する縦型
の半導体製造装置であって、内管の内部においてウェハ
の主面に垂直な方向にガスを流し、ウェハの中心から周
辺に向かう方向に圧力勾配または濃度勾配を有するよう
にしたものである。

【００１４】このような半導体製造装置によれば、ウェ
ハの中心部から周辺部に向かうガスの排気（圧力勾配に
よるガスの流れ）が生じ、周辺部への膜堆積を抑制し、
ウェハ周辺部の膜厚を薄くできる。この結果ウェハ内の
膜厚均一性を向上できる。

【００１５】なお、本発明者らの検討によれば、このよ
うな圧力勾配は、縦型ＣＶＤ装置の反応室内の内管と基
板との間の寸法の最適化および反応室内を流れるガス流
の流速を増加させることにより実現できる。ガス流速
は、キャリアガス（たとえば窒素ガス）の導入と排気速
度の向上により増加できる。すなわち、このような半導
体製造装置を用いれば、ウェハの設置間隔によらず、ま
た、特殊なウェハ支持用治具を用いることなくウェハ面
内の膜厚均一性を向上できる。

【００１６】このような手段により圧力勾配を生じさせ
た場合、所定の（たとえば５％以内の）膜厚均一性を得
るためには、本発明者らの検討によれば、ウェハに垂直
な方向のガス流による支持部材の上下端間の圧力差は１
Pa/mol以上、より好ましくは４Pa/mol以上にするのが良
い。また、本発明者らの検討によれば、ウェハ半径と内
管の内半径との差は４０mm以下、より好ましくは２０mm
以下にするのが良い。

【００１７】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
上記した半導体製造装置を用いる製造方法である。すな
わち、内管を反応室内に有する縦型化学気相成長装置を
用い、内管内に上下方向に離間して複数枚のウェハを配
置し、ウェハの主面に対して垂直方向にガスを流し、ウ
ェハの中心から周辺に向かう方向に低くなる圧力勾配ま
たは濃度勾配が生じるような雰囲気で成膜するものであ
る。この場合、ガスにはキャリアガスとしてたとえば窒
素ガスを含むことができる。また、ウェハに垂直な方向
のガス流による支持部材上下端間の圧力差は１Pa/mol以
上、より好ましくは４Pa/mol以上にするのが良く、ウェ
ハ半径と内管の内半径との差は４０mm以下、より好まし
くは２０mm以下にするのが良い。

【００１８】また、被膜は、ジシランガスを原料ガスに
含む非晶質シリコン膜、または、シランおよび酸化二窒
素を原料ガスに含むシリコン酸化膜、または、シランガ
スを原料ガスに含む非晶質又は多結晶シリコン膜、の何
れかの被膜とすることができる。本発明は、ジシランガ
ス等反応性の高い（付着確率の高い）ガスを用いた被膜
形成に適用して、特に効果が大きい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００２０】（実施の形態１）図１は、本発明の一実施
の形態である半導体製造装置の一例を示す概念図であ
る。なお、図１では、ウェハおよびウェハボートが下降
している状態すなわちウェハのロード／アンロード時の
状態を示している。

【００２１】本実施の形態１の半導体製造装置は、たと
えば石英ガラスからなる反応管１を有し、反応管１で囲
まれた反応室内に内管２を有している。内管２の内部に
は複数の半導体ウェハ３を支持するウェハボート（支持
部材）４が設置される。ウェハボート４はウェハボート
支持台５に支持され、半導体ウェハ３はその主面すなわ
ち素子形成面を上面として水平に保持される。反応管１
の外側には加熱手段であるヒータ６が設置されている。

【００２２】反応管１には、圧力調整用バルブ（ＡＰＣ
バルブ）７を介してモレキュラードラッグポンプ（ＭＤ
Ｐ）８およびドライポンプ（ＤＰ）９が接続され、反応
管１内を減圧雰囲気に排気できるようにしている。ドラ
イポンプ９の排気側はスクラバーに接続され、希釈用窒
素（Ｎ₂ ）が導入されて排気処理される。また反応管１
にはガスポート１０が接続され、ガスポート１０を介し
て原料ガスが導入される。導入された原料ガスの圧力は
イオンゲージ１１で測定され、圧力調整用バルブ７で自
動的に調整される。

【００２３】反応管１の下部にはウェハ移載機１２が設
置され、カセット棚１３に載置されたカセット内のウェ
ハ３をウェハボート４に移載する。カセット棚１３には
カセット移載機１４を用いてカセットを移載する。

【００２４】同図の矢印で示すようにウェハボート支持
台５はウェハボート４とともに上昇し、反応管１の底部
を密閉して反応室を形成し、反応管１内（反応室内）を
減圧に排気できるようになる。

【００２５】図２（ａ）は、反応管１内にウェハボート
４を配置した状態すなわちウェハボート支持台５が上昇
した状態を示す断面概念図である。ウェハボート４には
ウェハ３が載置されている。反応管１の底部はウェハボ
ート支持台５のフランジ部分で密閉され、反応空間が形
成される。反応空間にはガスポート１０を介して反応ガ
スが供給される。なお、反応ガスに希釈ガスたとえば窒
素等の不活性ガスを含めることができるのは勿論であ
る。

【００２６】ガスポート１０から供給された反応ガス
は、図示するように、内管２の内側すなわちウェハ３が
載置されたウェハボート４の存在する領域を上昇し、ウ
ェハボート４の上部に達した反応ガスは内管２と反応管
１との間を下降して排気される。このガスの流れは、同
図において矢印で示している。内管２内の反応ガスは、
ウェハ３の存在により流れが阻害されるため、主にウェ
ハ３と内管２との間を流れることになる。このようなウ
ェハ３と内管２との間のガス流によりこのガスの流れ方
向（上下方向）に垂直なガス流（水平方向すなわちウェ
ハ３の主面に平行な方向のガス流）を発生させることが
できる。このような水平方向のガス流により被膜の膜厚
均一性を改善できる点に本発明の技術思想があるが、こ
の点は後に詳述する。

【００２７】図２（ｂ）は、内管２の内部に設置された
ウェハ３とウェハボート４の一部を示した斜視図であ
る。同図ではウェハボート４の上部を示している。ウェ
ハボート４は天板４ａと支柱４ｂとを有し、図ではその
下部に配置される底板を省略している。天板４ａ、支柱
４ｂおよび底板はたとえば石英ガラスからなる。

【００２８】図２（ｃ）は、ウェハボート４の支柱４ｂ
の一部を拡大して示した斜視図である。支柱４ｂにはウ
ェハ３を支持する突起部４ｃを有する。図示するよう
に、突起部４ｃの形状は単純であり、ウェハ３に形成さ
れる被膜の膜厚均一性を向上させるための特殊な形状加
工を施していない。すなわち、本実施の形態の半導体製
造装置では、リング状の保持治具を有するような特殊治
具を用いることなく、ごく一般的なウェハ保持用のウェ
ハボート４を用いている。このように構造の単純なウェ
ハボート４を用いることにより半導体製造装置のメンテ
ナンス等管理を容易にすることができる。また、特殊治
具を用いないことによりウェハ３を上下方向に密に配
置、つまり上下方向のウェハ設置ピッチを最小限に狭く
することができる。すなわち、リング形状等の特殊治具
を用いると、その特殊形状に起因してウェハの配置間隔
（ピッチ）を広くせざるを得ないが、本実施の形態の場
合にはそのような制約がない。このため、被膜形成が可
能な限度においてウェハ３を密につまりピッチを狭く配
置することができ、１バッチあたりのウェハ処理枚数を
向上して処理のスループットが向上できる。

【００２９】このような単純なウェハボート４を用いて
ウェハ３上に被膜を形成する場合、従来と同様の成膜方
法を用いれば、ウェハ３の周辺部分の被膜が中心部に比
較して厚く形成され膜厚均一性が阻害される問題が存在
することは前記した通りである。よって、本実施の形態
では、以下に説明するような膜厚均一性を向上する成膜
方法を用いる。

【００３０】図３は、内管２内にウェハ３が配置された
様子を単純化して示した斜視図である。以下の説明にお
いてウェハボート４の形状は単純なため考察の対象から
除外する。よって同図ではウェハボート４を省略して示
している。

【００３１】図示するように、反応管１内の中心軸ｚか
らの距離をｒとして座標をとれば、ｚ軸方向のガス流速
ｖはｒの関数として与えられる。なお、ｌｎは自然対数
を示す演算子である。

【００３２】

【数１】

【００３３】ここで、ａは内管２の内半径、ｂはウェハ
３の半径、ηは反応管を流れるガスの粘性率、ｌはウェ
ハボート４のｚ軸方向の長さである。また、ΔＰはｚ方
向に生じる圧力差であり、ポアズイユの法則より次式で
与えられる。

【００３４】

【数２】

【００３５】ここで、ｍは流入ガスの流量であり単位は
ｍｏｌ／ｓで与えられる。また、Ｉ₀ は内管２とウェハ
３の寸法で決まる関数であり、次式で与えられる。

【００３６】

【数３】

【００３７】このように、ｚ軸方向のガス流速ｖ（ｒ）
は、ｒが大きいほど、すなわちウェハ３の外周から離れ
るほど大きくなる。つまり、ｒ方向に速度勾配を生じ
る。このような速度勾配の発生は、ベルヌーイの定理か
らｒ方向に圧力差を生じる。よって、この圧力差により
反応ガスはｒ方向に移動し、図示するように、ｒ方向に
−ｄＣ／ｄｒの濃度勾配を生じる（ここでＣは反応ガス
濃度である）。これゆえウェハ３の周辺部に付着し堆積
しようとする反応ガスはｒ方向に移動され、周辺部のガ
ス濃度が低下し、ウェハ周辺部分の堆積膜厚が減少して
膜厚均一性を向上できる。すなわち、膜厚均一性の向上
は、内管２とウェハ３の寸法を調整することにより、あ
るいは、流速ｖを大きくすることにより、積極的に濃度
勾配（−ｄＣ／ｄｒ）を発生させ、ウェハ３周辺部の反
応ガスをｒ方向に排出させることにより実現できる。

【００３８】ｚ軸方向のガス流速ｖ（ｒ）を大きくすれ
ば、より大きく−ｄＣ／ｄｒの濃度勾配を生じさせるこ
とができる。つまり数１より、ｖ（ｒ）はΔＰに比例す
るから、ウェハ周辺部の堆積抑制は、ΔＰを大きくする
ことにより実現できる。ΔＰは、数２および数３より、
内管２の内半径ａとウェハ３の半径ｂとの差（ａ−ｂ）
を小さくすることにより実現できる。すなわち、ΔＰを
大きくすることにより、あるいは、ａ−ｂを小さくする
ことにより、被膜の膜厚均一性を改善できる。なお、Δ
Ｐは、ガス流量ｍ、粘性率η、ウェハボート長ｌにも比
例するから、ガス流量を大きくし、高い粘性率のガスを
用い、あるいはウェハボート長を長くすることによって
も、膜厚均一性を改善することができる。

【００３９】図４は、前記知見に基づき、従来通りのウ
ェハボート４（特殊な治具ではない）および内管２を用
いた場合に、ガス流量を増加させたときの被膜膜厚の実
験結果（ラインＡ）を示すグラフである。ここではジシ
ランガス（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）を用いたアモルファスシリコン
膜を被膜として用いている。堆積したウェハ内の膜厚均
一性を表すために、横軸にウェハ内の膜厚測定位置を、
縦軸に相対膜厚を示している。また、比較のために特殊
治具（たとえばリング状治具）を用いた場合のデータ
（ラインＢ）と特殊治具を用いず従来の被膜形成条件
（流量が本実施の形態より少ない）の場合のデータ（ラ
インＣ）とを併記している。特殊治具を用いない従来の
場合（ラインＣ）では、膜厚均一性は１０％以上と悪い
のに比較して、本実施の形態の場合（ラインＡ）は、特
殊治具を用いないにもかかわらず、均一性は４％以下と
良好である。また本実施の形態の場合（ラインＡ）は特
殊治具を用いる場合（ラインＢ）と比較しても遜色のな
い膜厚均一性を有する。このように膜厚均一性が改善さ
れるのは、前記したとおり、ガス流量を増加させΔＰを
増加させたことにより、ウェハ３の主面と平行な方向
（水平方向）のガス拡散を促進してウェハ３周辺部の被
膜堆積を抑制できたためと推察できる。

【００４０】図５は、ΔＰを変化させたときの膜厚均一
性の実験結果を示すグラフである。実験は、原料ガスに
ジシランを用い、ジシラン流量を３０ｓｃｃｍ、圧力を
１５Ｐａの条件で行っている。ΔＰを変化させるには、
原料ガスにキャリアガスとして窒素を添加し、ガス流量
を増加させてΔＰを大きくしている。図示するように、
ΔＰの増加とともに均一性が向上（数値は低下）してい
る。ガス流量の条件を除く他の条件を従来技術と同様に
した場合、前記図４からもわかるように均一性は１０％
以上と悪い。この従来技術の条件では、本発明者の検討
によればΔＰは０．５Ｐａ／ｍｏｌ程度である。よっ
て、図５から明らかにΔＰ＝１Ｐａ／ｍｏｌ程度で膜厚
均一性は４％程度が確保でき、十分な効果を有している
ことがわかる。膜厚均一性をさらに低下するにはΔＰを
４Ｐａ／ｍｏｌ以上にすればよい。すなわち、ΔＰの範
囲は１Ｐａ／ｍｏｌ以上、好ましくは４Ｐａ／ｍｏｌ以
上になるようにすればよい。なお、本明細書において膜
厚均一性は、測定膜厚の最大値をｄｍａｘ、最小値をｄ
ｍｉｎとした場合に、均一性＝（ｄｍａｘ−ｄｍｉｎ）
／（ｄｍａｘ＋ｄｍｉｎ）×１００〔％〕として定義す
る。図中、白丸で示したデータは特殊治具を用いた場合
の均一性データである。ΔＰを大きくすれば、特殊治具
を用いた場合と遜色のない均一性が確保できることがわ
かる。

【００４１】図６は、内管２の内半径ａとウェハ３の半
径ｂの差ａ−ｂを変化させたときの膜厚均一性の実験結
果（ラインＤ）を示すグラフである。また、同図にはａ
−ｂを変化させたときΔＰの変化を併記している。同図
から明らかなとおり、ａ−ｂの値が小さくなるに従いΔ
Ｐが増加し、膜厚均一性が向上する（数値は低下す
る）。同図から、均一性の改善が見られ始めるのはａ−
ｂの値が４０ｍｍより小さくなる領域からであり、ａ−
ｂの値が４０ｍｍ以下で均一性改善の効果が得られるこ
とがわかる。さらに、膜厚均一性が５％以下になるのは
ａ−ｂの値が２０ｍｍ程度の領域である。すなわち、ａ
−ｂの値つまりウェハ３の半径と内管２の内半径との差
は４０ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以下にするのがよ
い。

【００４２】表１は、本発明者が検討した各種パラメー
タを変化させたときのΔＰの値をまとめた数値表であ
る。

【００４３】

【表１】

【００４４】同表には、ウェハ３として１２インチウェ
ハを用いた場合、または８インチウェハを用いた場合の
パラメータを示している。

【００４５】第１の例を表１の第２カラムに示す。ウェ
ハ３として１２インチウェハを用い、内管２の内半径ａ
を１６５ｍｍとする。ウェハ半径ｂは１５２ｍｍである
から内管とウェハの間隔ａ−ｂは１２．６ｍｍである。
すなわち、本例ではａ−ｂの値を従来例より小さくして
いる。ウェハボート４の長さｌを８８４ｍｍとし、ガス
流入量を従来同様に０．０８０４ｍｏｌ／ｓとすると、
前記数２および数３を用いてΔＰは７．５２となる。前
記図６のデータより十分に改善された膜厚均一性を得る
ことができる。

【００４６】第２の例を表１の第３カラムに示す。ウェ
ハ３として８インチウェハを用い、内管２の内半径ａを
１１２ｍｍとする。ウェハ半径ｂは１０２ｍｍであるか
ら内管とウェハの間隔ａ−ｂは１０．４ｍｍである。す
なわち、本例ではａ−ｂの値を従来例より小さくしてい
る。ウェハボート４の長さｌを６５０ｍｍとし、ガス流
入量を従来同様に０．０８０４ｍｏｌ／ｓとすると、前
記数２および数３を用いてΔＰは１４．６となる。前記
図６のデータより十分に改善された膜厚均一性を得るこ
とができる。

【００４７】第３の例を表１の第４カラムに示す。ウェ
ハ３として８インチウェハを用い、内管２の内半径ａを
従来同様に１３０ｍｍとする。ウェハ半径ｂは１０２ｍ
ｍであるから内管とウェハの間隔ａ−ｂは２８．４ｍｍ
である。ウェハボート４の長さｌは６５０ｍｍである。
本例ではガス流入量を従来より多い０．８８４ｍｏｌ／
ｓとする。前記数２および数３を用いてΔＰは７．２８
となる。前記図５のデータより十分に改善された膜厚均
一性を得ることができる。

【００４８】比較例として表１の第４カラムに従来技術
のパラメータ示す。ウェハ３として８インチウェハ、内
管２の内半径ａは１３０ｍｍ、ウェハ半径ｂは１０２ｍ
ｍ、ウェハボート４の長さｌは６５０ｍｍである。内管
とウェハの間隔ａ−ｂは２８．４ｍｍであり、ガス流入
量は０．０８０４ｍｏｌ／ｓであるから、ΔＰは０．６
６２となる。このような低いΔＰでは、図４のラインＣ
に示したように膜厚均一性は良くない。

【００４９】本実施の形態によれば、ガス流量ｍを増加
させることにより、あるいは、ウェハ３と内管２との間
隔ａ−ｂを小さくすることにより、ウェハ３主面に垂直
な方向（ｚ方向）のガス流速ｖを増加し、このガス流速
の増加に基づくｒ方向の圧力勾配あるいはガス濃度勾配
を発生させて、ウェハ３周辺の被膜堆積を抑制すること
が可能となる。これにより、従来においてウェハ周辺部
分の膜厚が厚く形成されていた状況を改善してウェハ上
の膜厚均一性を向上できる。このような膜厚向上手段で
は、ウェハボートに特殊治具を用いる必要はなく、メン
テナンスの容易な一般的なウェハボート４を用いること
が可能である。この結果、メンテナンス等の装置管理を
容易にすることができる。また、特殊治具を用いる必要
がないので、ウェハ３の配置間隔（ウェハピッチ）に制
約がなく、被膜形成が可能な限りにおいてウェハピッチ
を小さくできる。この結果、ウェハの処理スループット
を向上できる。

【００５０】なお、本実施の形態において、ΔＰを増加
させる手段としてガス流量ｍの増加、あるいはウェハ３
と内管２との間隔ａ−ｂの低下を例示したが、ウェハボ
ート４の長さｌの増加、あるいは、粘性率ηの高いガス
を用いてΔＰを増加させても良い。

【００５１】（実施の形態２）図７〜図９を用いて、本
発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を説明
する。図７〜図９は、実施の形態２の製造方法を工程順
に示す要部断面図である。

【００５２】図７に示すように、たとえばｐ型で比抵抗
が１０Ωcm程度の単結晶シリコンからなる半導体基板２
１を用意し、たとえば８５０℃程度でウェット酸化して
形成した膜厚１０nm程度の薄いシリコン酸化膜２２およ
びたとえばＣＶＤ（ChemicalVapor Deposition ）法で
形成した膜厚１４０nm程度のシリコン窒化膜２３を半導
体基板２１上に堆積する。ここでは単結晶シリコンの半
導体基板を例示するが、表面に単結晶シリコン層を有す
るＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板、あるいは、表
面に多結晶シリコン膜を有するガラス、セラミックス等
の誘電体基板であってもよい。

【００５３】次に、フォトレジスト膜２４をマスクにし
て、シリコン窒化膜２３およびシリコン酸化膜２２をド
ライエッチングすることにより素子分離溝２５を形成す
る。素子分離溝２５の深さは３００〜４００nm程度とす
る。

【００５４】次に、前記フォトレジスト膜２４を除去し
た後、図８に示すように、前記のエッチングによって素
子分離溝２５の内壁に生じたダメージ層を除去するため
に、たとえば８５０〜９００℃程度のウェット酸化によ
る薄い（膜厚１０nm程度の）シリコン酸化膜２６を素子
分離溝２５の内壁に形成し、さらに、素子分離溝２５を
埋め込むシリコン酸化膜２７を堆積する。

【００５５】このシリコン酸化膜２７の堆積には、実施
の形態１で説明した半導体製造装置および被膜形成方法
を用いる。すなわち、実施の形態１の装置を用い、ウェ
ハ（半導体基板２１）をロードした後、真空排気を行
う。次に、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ₄ ）ガスおよ
び一酸化二窒素（Ｎ₂ Ｏ）を各々５０ｓｃｃｍおよび１
７５０ｓｃｃｍの流量で導入する。ガス圧力はたとえば
９０Ｐａに調整する。基板温度はたとえば８００℃とす
る。このような条件でシリコン酸化膜２７を成膜でき
る。ΔＰが４Pa/mol以上、あるいは、ａ−ｂが２０ｍｍ
以下となる条件を満足して、シリコン酸化膜２７の膜厚
均一性が５％以下にできることはいうまでもない。

【００５６】次に、図９に示すように、ＣＭＰ（Chemic
al Mechanical Polishing ）法を用いてシリコン酸化膜
２７を研磨し、素子分離溝２５の内部に素子分離用の絶
縁膜２８を形成する。このようにして半導体基板２１の
表面に浅溝素子分離構造を形成できる。この後、任意の
半導体素子、たとえばＭＩＳＦＥＴ等を形成して、ＤＲ
ＡＭ、ＳＲＡＭ、ロジックＬＳＩ、システムＬＳＩ等を
形成できる。

【００５７】本実施の形態によれば、シリコン酸化膜２
７を膜厚均一性良く形成できるので、シリコン酸化膜２
７の膜厚を必要最低限に抑制することが可能となる。こ
のため、ＣＭＰ法による研磨工程の工程負荷を低減でき
る。

【００５８】（実施の形態３）図１０〜図１４を用い
て、本発明の一実施の形態であるＤＲＡＭの製造方法を
説明する。図１０〜図１４は、実施の形態３の製造方法
を工程順に示す要部断面図である。なお、同図では、Ｄ
ＲＡＭキャパシタの部分のみを説明し、選択ＭＩＳＦＥ
Ｔ、ビット線、プラグ、層間絶縁膜、周辺回路、配線等
の説明は省略する。

【００５９】半導体基板上にメモリセルの選択ＭＩＳＦ
ＥＴ、周辺回路のＭＩＳＦＥＴ等を形成した後、ＤＲＡ
Ｍのビット線および第１層配線を形成し、これらビット
線、第１層配線を覆う絶縁膜３１，３２，３３を図１０
に示すように形成する。絶縁膜３１は、たとえばＳＯＧ
膜を、絶縁膜３２，３３には、例えばＯ₃ とＴＥＯＳと
をソースガスに用いたプラズマＣＶＤ法によるシリコン
酸化膜を例示できる。その後、絶縁膜３１，３２，３３
にフォトリソグラフィおよびドライエッチング技術を用
いてスルーホール３４を形成し、スルーホール３４内に
たとえば多結晶シリコン膜からなるプラグ３５を形成す
る。プラグ３５は、絶縁膜３３の上層にｎ型不純物、例
えばＰを導入した多結晶シリコン膜をＣＶＤ法で堆積し
た後、この多結晶シリコン膜をエッチバックしてスルー
ホール３４に残すことにより形成する。

【００６０】次に、絶縁膜３３の上層に膜厚１００ｎｍ
程度の窒化シリコン膜３６をＣＶＤ法で堆積した後、レ
ジストパターンをマスクにしたドライエッチングで周辺
回路の窒化シリコン膜３６を除去する。メモリアレイに
残った窒化シリコン膜３６は、後述する情報蓄積用容量
素子の下部電極４２を形成する工程で下部電極４２の間
のシリコン酸化膜をエッチングする際のエッチングスト
ッパとして利用される。

【００６１】次に、図１０に示すように、窒化シリコン
膜３６の上層に膜厚１．３μｍ程度のシリコン酸化膜３
７を堆積し、レジストパターンをマスクにしたドライエ
ッチングでシリコン酸化膜３７および窒化シリコン膜３
６を順次除去することにより、スルーホール３４の上部
に溝３８を形成する。シリコン酸化膜３７は、例えばＯ
₃ とＴＥＯＳとをソースガスに用いたプラズマＣＶＤ法
で堆積する。なお、溝３８内にはＤＲＡＭキャパシタの
下部電極が形成される。

【００６２】次に、図１１に示すように、シリコン酸化
膜３７の上層にｎ型不純物、例えばＰを導入した膜厚５
０ｎｍ程度の多結晶シリコン膜３９をＣＶＤ法で堆積
し、続いて多結晶シリコン膜３９の上層に非晶質シリコ
ン膜４０を堆積する。この多結晶シリコン膜３９および
非晶質シリコン膜４０は、情報蓄積用容量素子の下部電
極材料として使用される。多結晶シリコン膜３９の厚さ
は、例えば５０ｎｍであり、非晶質シリコン膜４０の厚
さは、例えば２０ｎｍである。なお、多結晶シリコン膜
３９は必須ではない。この場合、非晶質シリコン膜４０
の厚さは、例えば７０ｎｍである。

【００６３】この非晶質シリコン膜４０の堆積には、実
施の形態１で説明した半導体製造装置および被膜形成方
法を用いる。すなわち、実施の形態１の装置を用い、ウ
ェハをロードした後、真空排気を行ない、窒素等不活性
ガスで反応室内（反応管１内）を置換する。基板（ウェ
ハ）導入後、プレヒートとしてたとえば４５分間、５１
０℃の温度に維持する。次に、原料ガスとしてジシラン
（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）ガスをキャリアガスとして窒素（Ｎ₂ ）
を各々３０ｓｃｃｍおよび５００ｓｃｃｍの流量で導入
する。ガス圧力はたとえば１５Ｐａに調整する。膜堆積
中の基板温度は５１０℃に維持する。このような条件で
非晶質シリコン膜４０を成膜できる。ΔＰが４Pa/mol以
上、あるいは、ａ−ｂが２０ｍｍ以下となる条件を満足
して、非晶質シリコン膜４０の膜厚均一性が５％以下に
できることはいうまでもない。

【００６４】次に、図１２に示すように、非晶質シリコ
ン膜４０の上層にＳＯＧ膜４９をスピン塗布した後、Ｓ
ＯＧ膜４９をエッチバックする。

【００６５】さらに、図１３に示すように、シリコン酸
化膜３７の上面に堆積された非晶質シリコン膜４０およ
び多結晶シリコン膜３９をエッチバックすることによ
り、溝３８，３８ａの内壁面（底面部分および側壁部
分）に非晶質シリコン膜４０および多結晶シリコン膜３
９を残す。

【００６６】次に、周辺回路のシリコン酸化膜３７を覆
うレジストパターンをマスクにして溝３８の内部のＳＯ
Ｇ膜４９および溝３８の隙間のシリコン酸化膜３７をウ
ェットエッチングで除去する。このとき、溝３８の隙間
の下には窒化シリコン膜３６が残っているので、窒化シ
リコン膜３６の下の絶縁膜３３がエッチングされること
はない。

【００６７】次に、図１４に示すように、多結晶シリコ
ン膜３９および非晶質シリコン膜４０の各表面をＨＦ系
の溶液を使って洗浄した後、ＣＶＤ装置を用いて１Ｐａ
以下の真空中でＳｉＨ₄ ガスを約１５０秒程度照射し
て、多結晶シリコン膜３９の表面および非晶質シリコン
膜４０の表面にシリコンの結晶核（図示せず）を形成す
る。次いで、１０^-5Ｐａ以下の真空中で、例えば６２０
℃程度の温度で約１５０秒程度熱処理して、非晶質シリ
コン膜４０の表面のシリコンの結晶核を成長させて、直
径約５０ｎｍ程度のシリコン粒４１を形成し、多結晶シ
リコン膜３９、非晶質シリコン膜４０およびシリコン粒
４１からなる情報蓄積用容量素子の下部電極４２を形成
する。

【００６８】なお、下部電極４２を構成する多結晶シリ
コン膜３９、非晶質シリコン膜４０およびシリコン粒４
１の酸化を防止するために、半導体基板をアンモニア雰
囲気中、８００℃程度で熱処理して多結晶シリコン膜３
９および非晶質シリコン膜４０の表面を窒化してもよ
い。

【００６９】この後、下部電極４２の上層に膜厚２０ｎ
ｍ程度の酸化タンタル膜を堆積し、その後酸化タンタル
膜の酸素欠陥を回復する酸化熱処理を行ってキャパシタ
絶縁膜を形成し、さらに、窒化チタン膜等からなる上部
電極（プレート電極）を形成できる。さらに、層間絶縁
膜の形成および第２層配線、さらに上層の配線を形成で
きるが、詳細な説明は省略する。

【００７０】本実施の形態によれば、実施の形態１で説
明した半導体製造装置および半導体装置の製造方法を用
いて、非晶質シリコン膜４０を膜厚均一性良く形成でき
る。この結果、シリコン粒４１の粒径を均一にし、信頼
性の高い下部電極４２を形成できる。

【００７１】以上、本発明者によってなされた発明を発
明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は
前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を
逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでも
ない。

【００７２】たとえば、実施の形態１においては、ΔＰ
を増加させる方法として、ガス流量ｍの増加、間隔ａ−
ｂの減少、長さｌおよび粘性率ηの増加を例示している
が、これらの手段を各々組み合わせてもよい。

【００７３】また、実施の形態２では、素子分離領域の
形成に用いられるシリコン酸化膜に本発明を適用した場
合を説明しているが、素子分離領域形成のためのシリコ
ン酸化膜には限られず、その他の部位に用いられるシリ
コン酸化膜にも適用できる。たとえば、フラッシュメモ
リの浮遊ゲートと制御ゲートとを絶縁する絶縁膜（シリ
コン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜）を構成するシ
リコン酸化膜にも適用できる。この場合、絶縁膜の膜厚
が均一の形成されるため、制御ゲートと浮遊ゲート間の
カップリングのばらつきを低減し、フラッシュメモリの
制御信頼性を向上できる。

【００７４】また、実施の形態３では、非晶質シリコン
膜に本発明を適用した場合を説明したが、その他の被
膜、たとえばシリコン窒化膜等にも本発明を適用でき
る。

【００７５】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以
下のとおりである。

【００７６】すなわち、特殊なウェハ支持治具を用いる
ことなくウェハ面内の膜厚均一性を向上できる。

【００７７】また、ウェハピッチを小さくして１バッチ
あたりの処理枚数、すなわちウェハのスループットを向
上することができる。

【００７８】さらに、ウェハピッチによらずウェハ面内
の膜厚均一性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である半導体製造装置の
一例を示す概念図である。

【図２】（ａ）は、反応管内にウェハボートを配置した
状態を示す断面概念図、（ｂ）は、内管内部に設置され
たウェハとウェハボートの一部を示した斜視図、（ｃ）
は、ウェハボートの支柱の一部を拡大して示した斜視図
である。

【図３】内管内にウェハが配置された様子を単純化して
示した斜視図である。

【図４】ガス流量を増加させたときの膜厚均一性の実験
結果を示すグラフである。

【図５】ΔＰを変化させたときの膜厚均一性の実験結果
を示すグラフである。

【図６】内管半径ａとウェハ半径ｂの差ａ−ｂを変化さ
せたときの膜厚均一性の実験結果を示すグラフである。

【図７】本発明の一実施の形態（実施の形態２）である
半導体装置の製造方法を工程順に示す要部断面図であ
る。

【図８】実施の形態２の製造方法を工程順に示す要部断
面図である。

【図９】実施の形態２の製造方法を工程順に示す要部断
面図である。

【図１０】本発明の一実施の形態（実施の形態３）であ
るＤＲＡＭの製造方法を工程順に示す要部断面図であ
る。

【図１１】実施の形態３の製造方法を工程順に示す要部
断面図である。

【図１２】実施の形態３の製造方法を工程順に示す要部
断面図である。

【図１３】実施の形態３の製造方法を工程順に示す要部
断面図である。

【図１４】実施の形態３の製造方法を工程順に示す要部
断面図である。

【図１５】ウェハピッチを変化させたときの膜厚均一性
の実験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 反応管 ２ 内管 ３ ウェハ ４ ウェハボート ４ａ 天板 ４ｂ 支柱 ４ｃ 突起部 ５ ウェハボート支持台 ６ ヒータ ７ 圧力調整用バルブ ８ モレキュラードラッグポンプ ９ ドライポンプ １０ ガスポート １１ イオンゲージ １２ ウェハ移載機 １３ カセット棚 １４ カセット移載機 ２１ 半導体基板 ２２ シリコン酸化膜 ２３ シリコン窒化膜 ２４ フォトレジスト膜 ２５ 素子分離溝 ２６ シリコン酸化膜 ２７ シリコン酸化膜 ２８ 絶縁膜 ３１〜３３ 絶縁膜 ３４ スルーホール ３５ プラグ ３６ 窒化シリコン膜 ３７ 酸化シリコン膜 ３８ 溝 ３９ 多結晶シリコン膜 ４０ 非晶質シリコン膜 ４１ シリコン粒 ４２ 下部電極 ４９ ＳＯＧ膜 ａ 内管の内半径 ｂ ウェハ半径 ｌ ウェハボート長 ｍ ガス流量 ｖ ガス流速 ｚ 中心軸 ΔＰ 圧力差 η 粘性率

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 有働 勉 東京都小平市上水本町５丁目22番１号 株 式会社日立超エル・エス・アイ・システム ズ内 Ｆターム(参考） 4K030 AA07 BA29 BA44 BB03 BB05 CA12 EA03 EA11 GA13 KA04 KA22 5F045 AA06 AB03 AB04 AB32 AC01 AC15 BB02 BB08 DP19 DQ05 EB02 EC02 EE12 EE20 EK06 EM08 GB06

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上下方向に離間して複数枚のウェハがそ
   の主面を上面として支持される支持部材と、前記支持部
   材がその内部に配置される円筒状の内管と、前記支持部
   材および内管がその内部に配置される反応室と、前記ウ
   ェハが加熱される加熱手段とを有する縦型の半導体製造
   装置であって、 前記内管の内部において前記ウェハの主面に垂直な方向
   にガスを流し、前記ウェハの中心から周辺に向かう方向
   に圧力勾配または濃度勾配を有するようにしたことを特
   徴とする半導体製造装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体製造装置であっ
   て、 前記ウェハに垂直な方向のガス流による前記支持部材の
   上下端間の圧力差は１Pa/mol以上であることを特徴とす
   る半導体製造装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の半導体製造装置であっ
   て、 前記圧力差は４Pa/mol以上であることを特徴とする半導
   体製造装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の半導体製造装置であっ
   て、 前記ウェハの半径と前記内管の内半径との差は４０mm以
   下であることを特徴とする半導体製造装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の半導体製造装置であっ
   て、 前記ウェハの半径と前記内管の内半径との差は２０mm以
   下であることを特徴とする半導体製造装置。
6. 【請求項６】 ウェハ上に被膜を形成する工程を有する
   半導体装置の製造方法であって、 前記被膜は、内管を反応室内に有する縦型化学気相成長
   装置を用い、前記内管内に上下方向に離間して複数枚の
   ウェハを配置し、前記ウェハの主面に対して垂直方向に
   ガスを流し、前記ウェハの中心から周辺に向かう方向に
   低くなる圧力勾配または濃度勾配が生じるような雰囲気
   で成膜されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項６記載の半導体装置の製造方法で
   あって、 前記ガスには、原料ガスの他にキャリアガスを含むこと
   を特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項６または７記載の半導体装置の製
   造方法であって、 前記ウェハに垂直な方向のガス流による支持部材の上下
   端間の圧力差は１Pa/mol以上である第１の条件、また
   は、前記ウェハの半径と前記内管の内半径との差は４０
   mm以下である第２の条件、の何れかの条件を満足するこ
   とを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項６、７または８記載の半導体装置
   の製造方法であって、 前記被膜は、ジシランガスを原料ガスに含む非晶質シリ
   コン膜、または、シランおよび酸化二窒素を原料ガスに
   含むシリコン酸化膜、または、シランガスを原料ガスに
   含む非晶質または多結晶シリコン膜、の何れかの被膜で
   あることを特徴とする半導体装置の製造方法。