JP2004111785A

JP2004111785A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2004111785A
Application number: JP2002274760A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Mochizuki; 望月　貴之
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】従来技術で問題となる半導体装置の製造方法における基板面内での温度のばらつきを抑制し、基板面内の温度均一性、ひいては基板面内の膜厚均一性を向上させることのできる半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】反応容器５０ａ内に処理基板１を搬入する搬入工程と、反応容器５０ａ内に成膜ガスとしてのシランガスとキャリアガスとしての窒素ガスを供給して熱ＣＶＤ法により処理基板１上にシリコン膜を形成する成膜工程とを有する半導体装置の製造方法において、成膜工程では、反応容器５０ａ内に更に水素ガスを供給するようにした。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱ＣＶＤ法により基板上に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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体装置を製造する工程には、熱ＣＶＤ法により基板上へアモルファスシリコン膜やポリシリコン膜等のシリコン膜を形成する工程がある。この工程では、成膜ガスとして例えばモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスが用いられ、キャリアガスとして窒素（Ｎ_２）ガスが用いられる。ＳｉＨ_４を用いたポリシリコン膜の形成において、成膜の要因となるのは、ＳｉＨ_４よりも、寧ろその中間生成物であるＳｉＨ_２によるものが主要因となっている。そのため膜厚均一性向上のためには、反応容器内の温度を精度よく管理する必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特にコールドウォールタイプの反応容器を用いて、上記方法により基板上にシリコン膜の成膜を行う場合、コールドウォール装置の性質上、容器全体の温度管理は困難であり、それが原因で基板面内の温度均一性が悪くなるという問題があった。さらには、その結果として、基板面内の膜厚均一性も悪くなるという問題点があった。
【０００４】
本発明の目的は、上記の従来技術で問題となる半導体装置の製造方法における基板面内での温度のばらつきを抑制し、基板面内の温度均一性、ひいては基板面内の膜厚均一性を向上させることのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の特徴とするところは、反応容器内に基板を搬入する搬入工程と、前記反応容器内にシランガスと窒素ガスを供給して熱ＣＶＤ法により基板上にシリコン膜を形成する成膜工程とを有する半導体装置の製造方法において、前記成膜工程では、前記反応容器内に更に水素ガスを供給することを特徴とする半導体装置の製造方法にある。なお、反応容器はコールドウォールタイプであることが好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【０００７】
図１は、本発明の実施の形態に係る基板処理装置としてのコールドウォール型枚葉式ＣＶＤ装置の一例を示す概略図である。この基板処理装置は、コールドウォール型の反応容器（チャンバ）を有しており、処理基板の加熱を基板保持板からの伝熱によって行うものである。ここで、コールドウォール型の反応容器とは、基板を加熱するための熱の大部分を容器の壁面を加熱することにより得るのではなく、容器の壁面を加熱しないで基板を処理するタイプの容器のことをいう。この場合、基板はランプ等で直接加熱したり、基板を載せる基板支持台に設けられたヒータで直接加熱したり、ヒータにより加熱した基板支持板からの伝熱により加熱したりする。これに対して、基板を加熱するための熱の大部分を容器の壁面を加熱することにより得る、すなわち容器壁面を処理温度と略同じ温度に加熱した状態で基板を処理するタイプの容器のことをホットウォール型の反応容器という。また、容器壁面を反応生成物が付着しない程度の低温（処理温度より低い温度）に加熱した状態で基板を処理するタイプのものもあるが（ウォームウォール型とも呼ばれる。）、本発明ではこのタイプもコールドウォール型に含めることとする。
【０００８】
図１の（ａ）〜（ｃ）において、基板処理装置３０は、処理の対象となる処理基板（半導体ウェハ）１を収容する反応容器（チャンバ）５０ａ、反応容器５０ａ内に形成される基板処理室５０、基板処理室５０内で処理基板１を支持する基板保持板（サセプタ）２、処理基板１を加熱するヒータ３、基板保持板２とヒータ３を含むヒータユニット２０、処理基板１を装置３０の基板処理室５０内に搬入するための基板挿入口８、基板挿入口８を開閉する開閉弁９、処理基板１を基板保持板２に載置する際に、処理基板１を一旦支持する基板支持具４、ヒータユニット２０を基板処理室５０内で上昇及び降下させる多段階調整可能な昇降機構１０（図中、昇降機構自体は図示せず、昇降移動距離範囲のみを双方向矢印によって示す）、基板処理室５０内を排気するための排気口７、基板処理室５０内にガスを供給するガス供給口６、及び、ガスの処理基板１処理面への供給を均一にするためのガス分散板５を有している。
【０００９】
基板支持具４は石英製のピンで構成され、基板保持板２はサセプタと総称され、処理基板１を支持するとともに、ヒータ３から処理基板１への伝熱を迅速かつ均一にする役割を果たす。ガス供給口６は、基板処理室５０内に所望のガス種を所望のガス流量、ガス比率で供給するためのものであり、そのガスの処理基板１処理面への供給はガス分散板によって均一化されている。排気口７は、未反応ガス及び反応過程で生成したガスを排気するためのものである。
【００１０】
この基板処理装置３０は、４００℃以上８５０℃以下の高温、１０００００Ｐａまでの高圧で、単一基板毎の処理を可能とする。
【００１１】
次に上記装置を用いて半導体装置の製造工程の一工程として基板を処理する方法について説明する。本実施の形態においては、まずヒータユニット２０を基板搬送位置（図１（ｃ）に示した位置）まで移動させ、開閉弁９を図１（ｃ）に示した位置まで下方向に移動して基板挿入口８を開く。処理基板１は、基板処理室５０と基板挿入口８を通じて接続された基板搬送室４０（図中、その位置のみを示す）に設けられた搬送機構により、基板挿入口８を経て、基板処理室５０内に搬入され、基板保持板２と空間を隔てて平行になるように基板支持具４上に置かれる。図１（ｃ）にはこの状態が示されている。
【００１２】
次に、基板搬送室４０と基板処理室５０とを基板処理中に隔離するため、基板挿入口８が開閉弁９によって閉じられる。
【００１３】
次に、ヒータユニット２０は、基板予備加熱位置まで、すなわち処理基板１と基板保持板２との距離が所定距離となるまで、昇降機構１０によって上昇した後停止する。これによって、処理基板１を基板保持板２から所定距離だけ離間させた状態、すなわち図１（ｂ）に示した基板予備加熱状態が実現する。この状態を所定時間保持することによって、処理基板１は基板保持板２からの放射伝熱及び気相伝導伝熱によって予備加熱される。
【００１４】
この場合の所定距離とは、上記予備加熱終了時までに、基板保持板２からの伝熱により処理基板１に反りが生じた場合でも、処理基板１が基板保持板２に接触しない程度の距離であり、所定時間とは、処理基板１の平均温度が、この所定時間経過後、処理基板１が基板保持板２上に載置されたときに、処理基板１と基板保持板２との温度差により処理基板１に反りが生じない程度の温度になるまでに要する時間である。上記の所定距離が短く、例えば１ｍｍであって、予備加熱開始直後には、処理基板１に反りが生じたとしても、予備加熱中に処理基板１中の温度不均一性が改善されて反りが無くなり、しかも、処理基板１の平均温度も高くなって、予備加熱後に処理基板１が基板保持板２上に載置されても処理基板１に反りが生じなければ、支障は生じない。
【００１５】
上記の所定距離と所定時間とは一義的に決められるものではなく、任意に調節されることは当然である。上記の所定距離は０．５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下とし、所定時間は１０秒以上、１２０秒以下とするのが好ましいしい。なお、本実施の形態においては、上記の所定距離を３ｍｍ以上、５ｍｍ以下とし、所定時間を３０秒以上、９０秒以下としている。
【００１６】
次に、ヒータユニット２０は、予備加熱位置（図１（ｂ）に示した位置）から基板処理位置（図１（ａ）に示した位置）まで、昇降機構１０によって上昇する。ヒータユニット２０上昇の際、基板支持具４上の処理基板１と基板保持板２との間隔は次第に狭くなり、ヒータユニット２０が基板処理位置に到達する前に、その間隔が無くなった時点において、基板支持具４に代わって基板保持板２が処理基板１を保持し、そのままさらに上昇して、図１（ａ）における位置（基板処理位置）で停止する。処理基板１は、ヒータ３で加熱されて高温となっている基板保持板２からの直接伝熱によって加熱される。
【００１７】
次に、このような、図１（ａ）に示した状態において、加熱された処理基板１に対し、上部のガス供給口６より成膜ガスとしてのモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスと、キャリアガスとしての窒素（Ｎ_２）ガスとを導入する。さらにキャリアガスＮ_２とともに水素（Ｈ_２）ガスを供給する。ＳｉＨ_４ガスと、Ｎ_２ガスと、Ｈ_２ガスは、ガス分散板５で処理基板１の処理面に均等になるように拡散されて供給される。これにより、熱ＣＶＤ反応が生じ、基板上にポリシリコン膜が形成される。なお、成膜温度としては、５５０〜７８０℃、圧力としては６０００〜５００００Ｐａが例示される。
【００１８】
従来は成膜ガスとしてのＳｉＨ_４ガスと、キャリアガスとしてのＮ_２ガスのみ供給していたが、本実施形態では、キャリアガスＮ_２とともにＨ_２ガスを供給している。Ｈ_２ガスはＮ_２ガスよりも熱伝導率がはるかに大きいので、基板をより均一に加熱することができ、基板面内の温度均一性を向上できるものと考えられ、その結果、基板面内の膜厚均一性が向上するものと考えられる。
【００１９】
なお、従来のやり方で、すなわちＮ_２ガスとＳｉＨ_４ガスとを用い、例えばＮ_２ガス供給流量を１９．９ｓｌｍ、ＳｉＨ_４ガス供給流量を０．１ｓｌｍとしてポリシリコン膜を成膜したところ、基板面内膜厚均一性が５〜６％となったのに対し、本実施形態のやり方で、すなわちＮ_２ガスとＳｉＨ_４ガスとＨ_２ガスとを用い、例えばＮ_２ガスを１７．９ｓｌｍ、ＳｉＨ_４ガスを０．１ｓｌｍ、Ｈ_２ガスを２ｓｌｍとしてポリシリコン膜を成膜したところ、基板面内膜厚均一性が１〜２％となり、本発明により、膜厚均一性を大幅に向上させることができることを確認できた。なお、上記従来のやり方の成膜実験と本実施形態のやり方の成膜実験は、同一温度、同一圧力として行った。
【００２０】
上記の基板処理後（基板上へのポリシリコン膜形成後）、ヒータユニット２０は、基板搬入位置（図１（ｃ）に示した位置）まで降下する。降下の際、基板支持具４は基板保持板２上の処理基板１を突き上げて再び支持し、処理基板１と基板保持板２との間に処理基板１の搬送のための空間を作る。
【００２１】
次に、基板挿入口８が開けられ、処理基板１は基板挿入口８から基板搬送室４０内の搬送機構により基板搬送室４０へ運び出される。
【００２２】
以上に説明したように、本発明の実施により、コールドウォール型半導体製造装置を用いてポリシリコン膜を成膜する場合でも、基板を均一に加熱することができ、それにより均一性良く処理することができ、基板処理の歩留りが向上する効果が得られる。
【００２３】
なお、上記実施形態ではコールドウォールタイプの枚葉式装置（単一基板処理装置）の場合について説明したが、本発明はホットウォールタイプの装置や、バッチ式の装置（複数枚一括処理装置）にも適用できる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、従来技術で問題となる半導体装置の製造方法における基板面内での温度のばらつきを抑制し、基板面内の温度均一性、ひいては基板面内の膜厚均一性を向上させることのできる半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明する図である。
【符号の説明】
１…処理基板、２…基板保持板、３…ヒータ、４…基板支持具、５…ガス分散板、６…ガス供給口、７…排気口、８…基板挿入口、９…開閉弁、１０…昇降機構、２０…ヒータユニット、３０…基板処理装置、４０…基板搬送室、５０…基板処理室、５０ａ…反応容器。

Claims

反応容器内に基板を搬入する搬入工程と、前記反応容器内にシランガスと窒素ガスを供給して熱ＣＶＤ法により基板上にシリコン膜を形成する成膜工程とを有する半導体装置の製造方法において、前記成膜工程では、前記反応容器内に更に水素ガスを供給することを特徴とする半導体装置の製造方法。