JP2004095940A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱ＣＶＤ法により複数の基板上に一括してＳｉ_３Ｎ_４膜を形成するに際し，膜応力が小さく且つ面間および面内均一な窒化シリコン膜を形成する。
【解決手段】保持具２は，反応管１内で複数の基板Ｗを縦方向に所定ピッチａで棚状に保持する。ＮＨ_３ガス供給系９は，反応管１内へＮＨ_３ガスを流す。ＤＣＳガス供給系８は，ＮＨ_３ガスの流量よりも大きな流量で反応管１内へＤＣＳガスを流す。ヒータ４は，各ガス供給系８，９から反応管１内へ流される各ガスを熱分解して熱ＣＶＤ法により各基板Ｗ上にＳｉリッチなＳｉ_３Ｎ_４膜を形成する為に反応管１内を７５０〜９００℃に加熱する。保持具２における基板Ｗの配列ピッチａと，反応管１の内壁から基板Ｗの端部までの距離ｂと，の比ｂ／ａを５以上とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱化学気相成長法により窒化シリコン膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法と、その方法の実施に使用する基板処理装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ウエハ等の基板上に窒化シリコン膜を形成する技術として熱化学気相成長法（熱ＣＶＤ法）がある。この方法では、ケイ素とチッ素とを含む原料ガスを熱分解して基板上に窒化シリコンを析出させる。バッチ式のＣＶＤ装置を用いる場合は、１バッチ分の基板が収容された反応管内へ原料ガスを流すと共に、該反応管内をヒータにより成膜温度に加熱する。
【０００３】
原料ガスとしては、ケイ素を含むＳｉＨ_２Ｃｌ_２（ジクロルシラン；ＤＣＳ）ガスと、チッ素を含むＮＨ_３（アンモニア）ガスとの混合ガスを用いる。これらのガス比率（ＤＣＳ：ＮＨ_３）は、１：１〜１：１０とする。また成膜温度は６００〜８００℃である。これにより、ＤＣＳガスとＮＨ_３ガスとが熱分解し、基板上にＳｉ_３Ｎ_４（窒化シリコン）膜が形成される。このときの反応式は次の通りである。
３ＳｉＨ_２Ｃｌ_２＋１０ＮＨ_３→Ｓｉ_３Ｎ_４＋６ＮＨ_４Ｃｌ＋６Ｈ_２…（Ａ）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発明者らは、バッチ式の装置を用いた熱ＣＶＤ法には次のような課題があることを見出した。即ち、ＮＨ_３ガスの流量をＤＣＳガスの流量よりも大きく設定した従来の成膜条件では、窒化シリコン膜の膜応力が大きくなってしまう。従って、厚膜の形成に適しているとは云い難い。一方、ＤＣＳガスの流量をＮＨ_３ガスの流量よりも大きくして、Ｎの原子数に対するＳｉの原子数が１以上の所謂シリコンリッチな窒化シリコン膜を形成するバッチプロセスでは、該窒化シリコン膜の基板間および基板内での均一性が悪化しやすい。
【０００５】
本発明の目的は、熱ＣＶＤ法により複数の基板上に一括して窒化シリコン膜を形成する場合において、膜応力が小さく且つ基板間および基板内で均一な窒化シリコン膜を形成する技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数の基板が収容された反応管内へ、ＤＣＳガスとＮＨ_３ガスとを流すにあたり、前記ＤＣＳガスの流量を前記ＮＨ_３ガスの流量よりも大きくして、熱ＣＶＤ法により前記各基板上に窒化シリコン膜を形成する成膜工程を有する半導体装置の製造方法であって、前記成膜工程では、前記複数の基板を、隣接する基板どうしが相対面するよう前記反応管の長手方向に所定ピッチで配列し、且つこの配列ピッチａと、前記反応管の内壁と前記基板の端部との間の距離ｂと、の比ｂ／ａを５以上にした状態で前記窒化シリコン膜を形成する半導体装置の製造方法が提供される。
【０００７】
前記成膜工程では、膜屈折率２．２乃至２．６の前記窒化シリコン膜を形成するのが好ましい。膜屈折率は、ＤＣＳガスとＮＨ_３ガスとの流量比、および成膜温度を含む成膜条件で制御できる。具体的には、前記ＤＣＳガスの流量を前記ＮＨ_３ガスの流量の３倍乃至１０倍とするのが好ましい。また前記反応管内を７５０℃乃至９００℃の範囲の温度に加熱するのが好ましい。
【０００８】
基板としては、半導体基板やガラス基板等が挙げられる。反応管としては、鉛直方向に延びる縦型のものが一般的であるが、水平方向に延びる横型のものであってもよい。
【０００９】
また本発明によれば、反応管と、この反応管内で複数の基板を、隣接する基板どうしが相対面するよう該反応管の長手方向に所定ピッチで配列した状態で保持する保持具と、前記反応管内へＮＨ_３ガスを流すＮＨ_３ガス供給手段と、このＮＨ_３ガス供給手段によるＮＨ_３ガスの流量よりも大きな流量で前記反応管内へＤＣＳガスを流すＤＣＳガス供給手段と、前記各ガス供給手段によって、前記反応管内へ流される前記各ガスを熱分解して熱ＣＶＤ法により前記各基板上に窒化シリコン膜を形成するために、前記反応管内を加熱する加熱手段と、を備え、前記保持具における前記基板の配列ピッチａと、前記反応管の内壁と前記基板の端部との間の距離ｂと、の比ｂ／ａが５以上となるよう構成されている基板処理装置も提供される。
【００１０】
この基板処理装置においては、前記ＮＨ_３ガス供給手段及び／又は前記ＤＣＳガス供給手段の低温部に塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）からなる固形物が付着するのを防止するべく、該低温部を１２０℃以上の温度に加熱する固形物付着防止手段を更に備えるのが好ましい。
【００１１】
また基板処理装置においては、前記ＮＨ_３ガス供給手段と前記ＤＣＳガス供給手段とを別々のガスラインとするのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、実施の形態による基板処理装置を示す。この基板処理装置は、縦型の反応管１と、この反応管１内で複数のシリコンウエハＷを所定ピッチで棚状に保持するボート２と、ＤＣＳガスとＮＨ_３ガスとを、ＤＣＳガスの流量をＮＨ_３ガスの流量よりも大きくして反応管内へ流す制御を行うガス制御部３と、このガス制御部による制御によって反応管内へ流される各ガスを熱分解して熱ＣＶＤ法により各ウエハ上にシリコンリッチな窒化シリコン膜を形成するために反応管内を加熱するヒータ４とを備える。
【００１３】
反応管１は、同心状に立設された内管１ａと外管１ｂからなる二重管構造を有する。内管１ａの上部は開放されている。その開放部を通じて内管１ａと外管１ｂが連通している。ヒータ４は反応管１の周りを取り囲むように配置されている。ヒータ４は複数のゾーンに分割されている。各ゾーン別に供給電力を制御することにより、反応管１内に温度勾配をつけることができる。反応管１とヒータ４とを含んで縦型の反応炉が構成されている。
【００１４】
内管１ａの中には、１バッチ分（例えば１５０枚）のウエハＷを所定ピッチで内管１ａの長手方向（鉛直方向）に多段に配列した状態で保持する石英ボート２がロードされる。ボート２は、キャップ５の上に搭載されている。図示せぬエレベータによってキャップ５を昇降することにより、ボート２をロード／アンロードできる。内管１ａの下端は開口しているが、ボート２がロードされて内管１ａの中にウエハＷが収容されたときには、底蓋６によってその開口部が気密封止される。
【００１５】
図２は、内管１ａの中にウエハＷが収容されている様子を模式的に示す。図示のように、ボート２におけるウエハＷの配列ピッチをａとする。また管状をなす内管１ａの内周壁と、平面視円形をなすウエハＷの端面と、の間の距離をｂとする。そうした場合、この基板処理装置では、ａとｂの比ｂ／ａが５となっている。
【００１６】
この事は、従来の基板処理に最小限の設計変更を加えるだけで容易に実現できる。既存のボートを使用する場合は、内管を内径の大きなものに変更すればよい。既存の内管（反応管）を使用する場合は、ボートを配列ピッチの小さなものに変更すればよい。尚、既存の内管としては、内径が２６０ｍｍのものが一般的である。
【００１７】
外管１ｂの下部には、排気口７が設けられている。排気口７は、排気管を介して真空ポンプに通じている。排気管の途中には排気バルブ等が設けられている。これ等によって、反応管１内の処理済みガス等を排気し、又反応管１内を所定の減圧状態とするガス排気系が構成されている。
【００１８】
内管１ａの下部には、ＤＣＳガス導入口８１と、ＮＨ_３ガス導入口９１が設けられている。ＤＣＳガス導入口８１は、ＤＣＳガス管を介してＤＣＳガス源に通じている。ＤＣＳガス管の途中にはＭＦＣ（マスフローコントローラ）等の流量調節手段８２が設けられている。これ等によって、反応管１内にＤＣＳガスを流すＤＣＳガス導入系８が構成されている。
【００１９】
一方、ＮＨ_３ガス導入口９１は、ＮＨ_３ガス管を介してＮＨ_３ガス源に通じている。ＮＨ_３ガス管の途中にはＭＦＣ等の流量調節手段９２が設けられている。これ等によって、反応管１内にＮＨ_３ガスを流すＮＨ_３ガス導入系９が構成されている。
またＮＨ_３ガス管は、パージ用の不活性ガス（例えばＮ_２やＡｒ）を導入するためのパージガス導入管を兼る。但し、パージガス導入管は独立のものであってもよい。
【００２０】
尚、ＤＣＳガス導入系８とＮＨ_３ガス導入系９とを、同一のガスラインで兼ねてもよい。但し、形成膜中への異物混入を回避する等の観点からは、ＤＣＳガス導入系８とＮＨ_３ガス導入系９とを別々のガスラインとするのが好ましい。
【００２１】
各ガス導入系８，９からのガスは、それぞれのガス導入口８１，９１から内管１ａの中に噴出される。噴出されたガスは、内管１ａの中を下部から上部の開放部まで移動し、内管１ａと外管１ｂの間の空間を通って下方に流れ、外管１ｂの下部に設けられた排気口７から排気される。
【００２２】
１２０℃以下の低温環境下で、ＤＣＳガスとＮＨ_３ガスとが混合すると、塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）からなる固形物が生成する（上記反応式（Ａ）参照）。この固形物は、ＤＣＳガス導入系８、ＮＨ_３ガス導入系９、及び特にガス排気系等を詰まらせる原因となる。従って、ヒータ４によって加熱されにくい排気管、ＮＨ_３ガス管、及びＤＣＳガス管等の低温部に固形物が付着するのを防止するべく、該低温部を１２０℃以上、好ましくは１５０℃以上に加熱する第２のヒータ（図示せず）を設けている。
【００２３】
ガス制御部３は、ＭＦＣ８２やＭＦＣ９２等を制御することにより、ＤＣＳガスの流量をＮＨ_３ガスの流量よりも大きくして反応管１内へ流す制御を行う。ガス制御部５は、例えばソフトウエアで実現できる。
【００２４】
基板処理装置の作用は次の通りである。
まずヒータ４によって所定の成膜温度に加熱された反応管１の中に、１バッチ分のウエハＷを積載したボート２をロードする（保持具挿入工程）。成膜温度は、７５０℃乃至９００℃の範囲内である。
【００２５】
次いで、ガス排気系により反応管１内を真空引きする（プレ真空引き工程）。
尚、このプレ真空引き工程の後に、ＮＨ_３ガス導入系９からのＮＨ_３ガスで反応管１内をパージするプレＮＨ_３パージ工程を設けてもよい。
【００２６】
次いで、ＮＨ_３ガス導入系９からＮＨ_３ガスを流すと共に、ＤＣＳガス導入系８からＤＣＳガスを流す。尚、ＮＨ_３ガスを先行して流してもよい。これにより、ＤＣＳガスとＮＨ_３ガスの混合ガスが熱分解する。但し、ガス制御手段は、ＤＣＳガスの流量をＮＨ_３ガスの流量の３倍から１０として反応管１内へ流す制御を行う。従って、各ウエハＷ上にはシリコンリッチな窒化シリコン膜が形成される（成膜工程）。
尚、窒化シリコン膜が形成される間、図示せぬボート回転装置によって、ボート５が回転される。これにより、窒化シリコン膜のウエハ内均一性を向上できる。
【００２７】
この成膜工程は、窒化シリコン膜の厚みが所望の値に達するまで継続する。即ち、窒化シリコン膜の厚みは、膜の成長時間で制御できる。所望厚みの窒化シリコン膜を形成した後、ＤＣＳガスおよびＮＨ_３ガスの供給を停止する。尚、ＤＣＳガスの供給を先行して停止してもよい。
【００２８】
次いで、不活性ガスをＮＨ_３ガス導入系９から流すことで、反応管１内の残留ガスをパージする（パージ工程）。次いで、不活性ガスの供給を止めて、反応管１内を真空引きする（真空引き工程）。これらパージ工程と真空引き工程とは数回セットで繰り返す（サイクルパージ）。残留ガスの除去と、反応管１内の真空引きを確実に行うためである。
【００２９】
次いで、反応管１内を真空状態から大気状態に戻す（リーク工程）。次いで、処理済みウエハＷを搭載したボート２を反応管１からアンロードする（基板搬出工程）。
【００３０】
基板処理装置によれば、次のような効果が得られる。
（１）ボート２におけるウエハＷの配列ピッチａと、反応管１の内周壁とウエハＷの端面との間の距離ｂと、の比ｂ／ａを５以上としたから、窒化シリコン膜のウエハ間およびウエハ内均一性が改善される。その具体的なメカニズムは必ずしも定かでないが、反応管１内における原料ガスの流速が増したことによるものと考えられる。
【００３１】
（２）成膜工程においては、ＤＣＳガスの流量をＮＨ_３ガスの流量よりも大きくしたから、ＮＨ_３ガスの流量をＤＣＳガスの流量以上とする場合に比べて、窒化シリコン膜の膜応力を低減できる。特に、ＤＣＳガスの流量をＮＨ_３ガスの流量の３倍から１０とすることにより、膜応力の小さな窒化シリコン膜が得られる。
【００３２】
以上において、成膜工程では反応管１内に空間的な温度勾配を設けてもよい。温度勾配は、原料ガスが導入される導入部分と、該導入部分から最も遠い奥部分との間で、導入部分から奥部分にゆくに従って次第に高温となるように設定する。具体的には、反応管１の下方（ボトム）を７５０℃とし、トップを９００℃とする。これにより、各ウエハにおける原料ガスの消費量を略等しくできるから、特に窒化シリコン膜のウエハ間均一性を一層向上できる。
【００３３】
〔実験例１〕
図３は、ＮＨ_３ガスの流量に対するＤＣＳガスの流量（ＤＣＳ／ＮＨ_３　Ｒａｔｉｏ）を横軸にとり、そのガス流量比において形成された窒化シリコン膜の膜応力（Ｒｅｓｉｄｕａｌ　Ｓｔｒｅｓｓ）を縦軸にとった図である。成膜温度を７８０℃に設定した場合を×印、８００℃に設定した場合を△印、８５０℃に設定した場合を○印でそれぞれプロットした。
図示のように、ＮＨ_３ガスの流量に対するＤＣＳガスの流量（ＤＣＳ／ＮＨ_３　Ｒａｔｉｏ）が大きい程、また成膜温度が高い程、窒化シリコン膜の膜応力を小さくできる。特に、ガス流量比（ＤＣＳ／ＮＨ_３）が４以上の場合には、膜応力を略４００以下に抑制できる。
【００３４】
図４は、ＮＨ_３ガスの流量に対するＤＣＳガスの流量（ＤＣＳ／ＮＨ_３　Ｒａｔｉｏ）を横軸にとり、その流量比において形成された窒化シリコン膜の膜屈折率（Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　Ｉｎｄｅｘ）を縦軸にとった図である。図示のように、ガス流量比（ＤＣＳ／ＮＨ_３）が略４以上の場合には、所定以上の成膜温度の下で膜屈折率２．２〜２．６の窒化シリコン膜を得た。
【００３５】
図５は、形成された窒化シリコン膜の膜屈折率（Ｒｅｌｒａｃｔｉｖｅ　Ｉｎｄｅｘ）を横軸にとり、その膜屈折率を有する窒化シリコン膜のエッチレート（Ｅｔｃｈ　Ｒａｔｅ）［Å／ｍｉｎ］を縦軸にとった図である。図示のように、膜屈折率２．２〜２．６の範囲では、窒化シリコン膜のエッチングレートが安定する。従って、この範囲の膜屈折率を有する窒化シリコン膜であれば、エッチングの際に膜厚の制御を正確に行える。
尚、膜屈折率２．１以下の範囲では、エッチングレートが大きく変動する。
【００３６】
以上にように、ガス流量比（ＤＣＳ／ＮＨ_３）が略４以上の場合、少なくとも７８０℃以上の成膜温度下において、膜応力を略４００以下に抑制できる。しかも、当該成膜条件下では、量産する場合であっても窒化シリコン膜間におけるエッチングレートのバラツキを最小限に抑制できると云う相乗効果を得る。
【００３７】
〔実験例２〕
図６は、ボート２におけるウエハＷの配列ピッチａと、反応管１の内周壁とウエハＷの端面との間の距離ｂと、の比ｂ／ａを横軸にとり、その比において形成された窒化シリコン膜の膜均一性（Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）［％］を縦軸にとった図である。図中、ＷＩＷとあるは窒化シリコン膜の面内均一性を、ＷＴＷとあるは窒化シリコン膜の面間均一性を示す。比ｂ／ａを大きくするに従って、窒化シリコン膜の面間均一性が大幅に改善されてゆく。比ｂ／ａが４．５以上の領域では、面内均一性および面間均一性の双方を１０％以下にできる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、熱ＣＶＤ法により複数の基板上に一括して窒化シリコン膜を形成するにあたり、膜応力が小さく且つ基板内および基板間で均一な窒化シリコン膜を形成できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態による基板処理装置の構成を模式的に示した図。
【図２】実施の形態による炉体構成を模式的に示した図。
【図３】実験結果を説明するための図。
【図４】実験結果を説明するための別の図。
【図５】実験結果を説明するためのさらに別の図。
【図６】別の実験結果を説明するための図。
【符号の説明】
１…反応管、２…ボート（保持具）、３…ガス制御部（ガス制御手段）、４…ヒータ（加熱手段）、８…ＤＣＳガス供給系（ＤＣＳガス供給手段）、９…ＮＨ_３ガス供給系（ＮＨ_３ガス供給手段）、Ｗ…ウエハ（基板）。

Claims (1)

1. 複数の基板が収容された反応管内へ、ジクロルシランガスとアンモニアガスとを流すにあたり、前記ジクロルシランガスの流量を前記アンモニアガスの流量よりも大きくして、熱化学気相成長法により前記各基板上に窒化シリコン膜を形成する成膜工程を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記成膜工程では、前記複数の基板を、隣接する基板どうしが相対面するよう前記反応管の長手方向に所定ピッチで配列し、且つこの配列ピッチａと、前記反応管の内壁と前記基板の端部との間の距離ｂと、の比ｂ／ａを５以上にした状態で前記窒化シリコン膜を形成する半導体装置の製造方法。

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