JP2005039153A - Substrate processing apparatus and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板処理装置および半導体デバイスの製造方法に関し、特に、CVD成膜形成技術に係わり、石英インナーチューブ内面に成膜されるDoped Poly Si、 Doped Amorphous Si、 Poly Si膜の膜厚増加に伴う膜クラックの発生を防止し、Particle発生を抑止し、ガスクリーニングを小頻度化することによりCOO低下を防ぎ、製造コストを低減することが可能な半導体製造装置および半導体デバイスの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a substrate processing apparatus and a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a CVD film forming technique, which increases the film thickness of Doped Poly Si, Doped Amorphous Si, and Poly Si films formed on the inner surface of a quartz inner tube. The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus and a semiconductor device manufacturing method that can prevent the occurrence of film cracks, suppress the generation of particles, reduce the COO by reducing the frequency of gas cleaning, and reduce the manufacturing cost. is there.
表面処理を施していないRa0.5μm未満の石英インナーチューブを使用した場合、CVD成膜形成を行うと、石英インナーチューブ内面にも膜が成膜され、その膜中のストレス構成ベクトルが大きくなることで膜にクラックが入る。 When a quartz inner tube with a surface treatment of less than Ra 0.5 μm is used, when CVD film formation is performed, a film is also formed on the inner surface of the quartz inner tube, and the stress composition vector in the film increases. Will crack the film.
例えば、リン(P)ドープトポリシリコン膜の場合には、石英インナーチューブへの累積膜厚が3.5μm程度でParticleが発生する。そのため累積膜厚3.5μmとなると、ガスクリーニングを実施して、石英インナーチューブのクリーニングを行っていた。しかし、3.5μmのガスクリーニングサイクルでは、クリーニング頻度が多くダウンタイムがかさみ、クリーニングコストが高価となり、その結果、COO(Cost of Ownership)を低下させるという問題があった。 For example, in the case of a phosphorus (P) doped polysilicon film, particles are generated when the accumulated film thickness on the quartz inner tube is about 3.5 μm. Therefore, when the cumulative film thickness becomes 3.5 μm, gas cleaning is performed to clean the quartz inner tube. However, in the gas cleaning cycle of 3.5 μm, there is a problem that the cleaning frequency is high and the downtime is increased, the cleaning cost is expensive, and as a result, COO (Cost of Ownership) is lowered.
なお、ボロン(B)ドープトポリシリコン膜や、ボロン(B)やリン(P)をドープしたアモルファスシリコン膜や、ノンドープトポリシリコン膜、ノンドープアモルファスシリコン膜であってもほぼ同じである。 Note that the same applies to a boron (B) doped polysilicon film, an amorphous silicon film doped with boron (B) or phosphorus (P), a non-doped polysilicon film, and a non-doped amorphous silicon film.
本発明の主な目的は、従来技術の問題点である、Particle発生タイミングの短さから生じるガスクリーニング頻度の多さを低減しCOOを改善することを可能とした半導体製造装置および半導体デバイスの製造方法を提供することにある。 The main object of the present invention is to manufacture a semiconductor manufacturing apparatus and a semiconductor device capable of improving the COO by reducing the frequency of gas cleaning, which is a problem of the prior art, due to a short particle generation timing. It is to provide a method.
本発明の第1の態様によれば、
反応管と、
前記反応管内で基板を支持する支持具と、
前記反応管内に成膜ガスを導入する成膜ガス導入手段とを有し、前記基板上に薄膜を形成する基板処理装置であって、
少なくとも前記反応管の内壁面に、Raが2〜4μmの凹凸を形成したことを特徴とする基板処理装置が提供される。
According to a first aspect of the invention,
A reaction tube;
A support for supporting the substrate in the reaction tube;
A substrate processing apparatus for forming a thin film on the substrate, comprising a film forming gas introducing means for introducing a film forming gas into the reaction tube,
There is provided a substrate processing apparatus characterized in that Ra has an unevenness of 2 to 4 μm on at least the inner wall surface of the reaction tube.
本発明の第2の態様によれば、
内壁面にRaが2〜4μmの凹凸を形成した反応管内に基板を搬入する工程と、
前記反応管内に成膜ガスを供給して前記基板上に薄膜を形成する工程と、
前記反応管内から前記基板を搬出する工程と、
前記反応管内に前記基板が存在しない状態で前記反応管内にClF3ガスもしくはF2ガス供給することにより前記反応管内壁に付着した膜を除去するクリーニング工程と、を有する半導体デバイスの製造方法であって、
前記クリーニング工程ではClF3ガスを用いる場合は、クリーニング温度を400℃以下、F2ガスを用いる場合は、クリーニング温度を350℃以下とすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法が提供される。
According to a second aspect of the invention,
A step of carrying the substrate into a reaction tube in which Ra has a roughness of 2 to 4 μm on the inner wall surface;
Supplying a deposition gas into the reaction tube to form a thin film on the substrate;
Unloading the substrate from within the reaction tube;
And a cleaning step of removing the film adhering to the inner wall of the reaction tube by supplying ClF 3 gas or F 2 gas into the reaction tube in the absence of the substrate in the reaction tube. And
In the cleaning step, a semiconductor device manufacturing method is provided, wherein a cleaning temperature is set to 400 ° C. or lower when ClF 3 gas is used, and a cleaning temperature is set to 350 ° C. or lower when F 2 gas is used.
なお、ここで、Raとは、算術平均高さをいう(JIS B 601参照)
。
Here, Ra means the arithmetic average height (see JIS B 601).
.
好ましくは、上記基板処理装置および上記半導体デバイスの製造方法において、前記反応管内壁面に形成する凹凸は、薬液処理により形成される。 Preferably, in the substrate processing apparatus and the semiconductor device manufacturing method, the unevenness formed on the inner wall surface of the reaction tube is formed by chemical treatment.
また、好ましくは、上記基板処理装置および上記半導体デバイスの製造方法において、前記基板上に形成する膜が、ボロン(B)やリン(P)等のドーパント(不純物)をドープした多結晶シリコン膜であるドープトポリシリコン(Doped Poly Si)膜、ボロン(B)やリン(P)等のドーパント(不純物)をドープした非晶質シリコン膜であるドープトアモルファスシリコン(Doped Amorphous Si)膜、ノンドープトポリシリコン(Non-Doped Poly Si)膜、ノンドープアモルファスシリコン(Non-Doped Amorphous Si)膜のうちのいずれかである。 Preferably, in the substrate processing apparatus and the semiconductor device manufacturing method, the film formed on the substrate is a polycrystalline silicon film doped with a dopant (impurity) such as boron (B) or phosphorus (P). Doped poly silicon film, doped amorphous silicon film doped with dopants (impurities) such as boron (B) and phosphorus (P), non-doped One of a polysilicon (Non-Doped Poly Si) film and a non-doped amorphous silicon (Non-Doped Amorphous Si) film.
本発明によれば、パーティクル発生タイミングの短さから生じるガスクリーニング頻度の多さを低減しCOOを改善することを可能とした半導体製造装置および半導体デバイスの製造方法が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor manufacturing apparatus and the manufacturing method of a semiconductor device which made it possible to reduce the frequency of gas cleaning resulting from the short particle generation timing and to improve COO are provided.
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1(A)は、本発明の一実施の形態の半導体製造装置である、縦型CVD成膜装置1の概略縦断面図であり、図1(B)は、図1(A)のA部の部分拡大図である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is a schematic longitudinal sectional view of a vertical CVD
図1(A)に示すように、縦型CVD成膜装置1においては、石英アウターチューブ11の外部にヒータ13を備えており、石英アウターチューブ11内を均一に加熱できる構造となっている。石英アウターチューブ11内には石英インナーチューブ12が設けられている。石英アウターチューブ11は真空を保つのに使用され、石英インナーチューブ12はガス流路を形成するのに使用されている。石英インナーチューブ12内には、複数の半導体ウェーハを垂直方向に積層して搭載する石英ボート14が設けられている。この石英ボート14は、キャップ15上に搭載されており、キャップ15を上下させることにより、石英インナーチューブ12内に挿入され、また石英インナーチューブ12から取り出される。石英アウターチューブ11および石英インナーチューブ12の下部は開放された構造となっているが、キャップ15を上昇させることにより、キャップ15の炉口シール板18により閉じられ気密な構造となる。石英インナーチューブ12の下部には、SiH4、PH3供給配管21のノズルの先端およびクリーニングガス供給配管24のノズルの先端が設けられている。石英インナーチーブ12の内側の中程にはPH3供給配管22のノズルの先端が設けられ、石英インナーチーブ12の内側の上側にはPH3供給配管23のノズルの先端が設けられている。石英インナーチューブ12の上部は開放されている。石英インナーチューブ12と石英アウターチューブ11との間の空間の下部には、排気口17が連通して設けられている。排気口17は真空ポンプ(図示せず)に連通しており、石英アウターチューブ11内を減圧できる。
As shown in FIG. 1A, the vertical CVD
SiH4、PH3供給配管21のノズルの先端から供給されたSiH4ガスよびPH3ガスは、その後、石英インナーチューブ12内を下部から上部まで移動し、石英インナーチューブ12と石英アウターチューブ11との間の空間を通って下方に流れ、排気口17から排気される。石英インナーチーブ12の内側の中程にPH3供給配管22のノズルの先端を設け、石英インナーチーブ12の内側の上側にPH3供給配管23のノズルの先端を設けているのは、石英ボート14に垂直方向に積層して搭載される複数の半導体ウェーハ間のリン濃度のバラツキを抑えるためである。PH3供給配管22のノズルの先端およびPH3供給配管23のノズルの先端から供給されたPH3ガスも石英インナーチューブ12内を上部まで移動し、石英インナーチューブ12と石英アウターチューブ11との間の空間を通って下方に流れ、排気口17から排気される。また、クリーニングガス供給配管24のノズルの先端から供給されたクリーニングガスも、その後、石英インナーチューブ12内を下部から上部まで移動し、石英インナーチューブ12と石英アウターチューブ11との間の空間を通って下方に流れ、排気口17から排気される。
SiH 4, PH 3 SiH 4 gas and PH 3 gas supplied from the tip of the nozzle of the
本実施の形態では、図1(B)に示すように、石英インナーチューブ12の内壁面にRaが2〜4μmの凹凸121を形成している。この凹凸121は、石英インナーチューブ12を薬液によって処理する薬液処理によって形成される。
成膜を繰り返すことにより石英インナーチューブ12の内壁面の表面に膜が堆積し、また、成膜を繰り返すことでウエーハ入炉時の温度変化で膜中にストレスが蓄積されるが、石英インナーチューブ12の内壁面の表面に設けた凹凸121により、膜中のストレス構成ベクトルは、1方向(膜に平行方向:図2(A)参照)から2方向(平行方向および垂直方向:図2(B)参照)に分散するため、ストレスが緩和される。その結果、従来は、累積膜厚が3.5μm程度で膜クラックが発生していたが、凹凸121を設けることにより、累積膜厚が5μmを超えるまで膜クラック発生タイミングを遅らせることが可能となり、Particle発生時期を遅らせることが可能となった。従ってガスクリーニング頻度を少なくすることができ、COO低減にも非常に有効である。なお、図2において、DOPOSは、Doped Poly Siの略である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1 (B),
By repeating the film formation, a film is deposited on the inner wall surface of the quartz
次に、この縦型CVD成膜装置1を使用してリン(P)ドープトポリシリコン膜を形成した場合にガスクリーニングを行う方法について説明する。
Next, a method for performing gas cleaning when a phosphorus (P) doped polysilicon film is formed using the vertical CVD
まず、多数枚の半導体シリコンウェーハ16を保持した石英ボート14を530℃の温度に保たれた石英インナーチューブ12内に挿入する。
次に、真空ポンプ(図示せず)を用いて排気口17より真空排気する。
次に、SiH4、PH3供給配管21よりSiH4およびPH3を供給し、PH3供給配管22、23からそれぞれPH3を供給し、排気口17より真空排気しながら、石英アウターチューブ11内の圧力を90Paに保って、リンドープトポリシリコン膜を半導体シリコンウェーハ16上に300nm形成する。
次に、SiH4、PH3供給配管21よりのSiH4およびPH3の供給、PH3供給配管22、23からのPH3の供給を停止して、石英アウターチューブ11内を排気口17より真空排気する。
次に、SiH4、PH3供給配管21より、N2を石英アウターチューブ11内に流入させてN2パージを行う。
その後、N2の供給を止めて石英アウターチューブ11内を真空にする。N2パージとその後の石英アウターチューブ11内の真空排気は数回セットで実施する。
その後、石英アウターチューブ11内を真空状態から大気圧状態へ戻し、その後、石英ボート14を下げて、石英アウターチューブ11より引き出し、その後、石英ボート14および半導体ウェーハ16を室温まで下げる。
その後、石英ボート14から半導体ウェーハ16を取り出す。
次に、石英ボート14に新たな半導体ウェーハ16を搭載して、石英インナーチューブ12内に挿入し、リンドープトポリシリコン膜を半導体シリコンウェーハ16上に形成する。
First, the
Next, vacuum exhaust is performed from the
Then, SiH 4, PH 3 SiH 4 were supplied to and PH 3 from the
Then, SiH 4, PH 3 supply of SiH 4 and PH 3 in the
Next, N 2 purge is performed by flowing N 2 into the quartz
Thereafter, the supply of N 2 is stopped and the inside of the quartz
Thereafter, the inside of the quartz
Thereafter, the
Next, a
上記リンドープトポリシリコン膜の製造方法を繰り返すと、図3(A)示すように、石英インナーチューブ12の内壁に膜30が付着するが、この内壁に付着した膜30の膜厚が所定の厚さに達した時点で、クリーニングガスをクリーニングガス供給配管24から、石英インナーチューブ12内へ導入することにより石英インナーチューブ12の内壁に付着した膜30のクリーニングを行う。
When the method for producing the phosphorus-doped polysilicon film is repeated, as shown in FIG. 3A, the
次に、このクリーニング方法について説明する。
まず、半導体ウェーハ16を保持しない石英ボート14を所定のクリーニング温度に保たれた石英インナーチューブ12内に挿入する。
次に、真空ポンプ(図示せず)を用いて排気口17より真空排気する。
次に、クリーニングガス供給配管よりクリーニングガスを供給し、真空ポンプ(図示せず)を用いて排気口17より真空排気しながら、石英アウターチューブ11内を120Paに保った状態で、石英インナーチューブ12のクリーニングを行う。
次に、クリーニングガスの供給を止めて、真空ポンプ(図示せず)を用いて排気口17より真空排気して、残留クリーニングガスを排気する。
次に、SiH4、PH3供給配管21より、N2を石英アウターチューブ11内に流入させてN2パージを行い、石英アウターチューブ11内のクリーニングガスを除去する。
その後、真空ポンプ(図示せず)を用いて排気口17より真空排気する。真空排気とN2パージは数サイクル実施する。
その後、石英アウターチューブ11内を真空状態から大気圧状態へ戻し、その後、石英ボート14を下げて、石英アウターチューブ11より引き出す。
Next, this cleaning method will be described.
First, the
Next, vacuum exhaust is performed from the
Next, the cleaning gas is supplied from the cleaning gas supply pipe, and the quartz
Next, supply of the cleaning gas is stopped, and a vacuum pump (not shown) is used to evacuate the
Next, N 2 is caused to flow into the quartz
Thereafter, vacuum exhaust is performed from the
Thereafter, the inside of the quartz
なお、クリーニングは、クリーニングガスの種類およびクリーンング温度に影響を受ける。 Cleaning is affected by the type of cleaning gas and the cleaning temperature.
クリーニングガスとしてClF3ガスを使用する場合には、400℃以下のクリーニング条件であれば、選択比(膜のエッチングレート/石英のエッチングレート)が高くとれ、薬液処理により形成したRa2〜4μmの凹凸121を削ることなく、石英インナーチューブ12の内壁に付着した膜30をエッチング除去でき、エッチング後も、図3(B)に示すように、石英表面の凹凸状態を納入時の初期状態に維持できる。そのため、ガスクリーニング頻度は、初期状態のガスクリーニング頻度(累積膜厚5μm毎に1度のガスクリーニング)と同じにすることができ、COO向上に優れた効果がある。
When ClF 3 gas is used as a cleaning gas, the selectivity (film etching rate / quartz etching rate) can be increased under cleaning conditions of 400 ° C. or lower, and Ra 2 to 4 μm unevenness formed by chemical treatment. The
クリーニングガスとしてF2 ガスを使用する場合には、350℃以下のF2 ガスクリーニング条件であれば、選択比(膜のエッチングレート/石英のエッチングレート)が高くとれ、薬液処理により形成したRa2〜4μmの凹凸121を削ることなく、石英インナーチューブ12の内壁に付着した膜30をエッチング除去でき、エッチング後も、図3(B)に示すように、石英表面の凹凸状態を納入時の状態を維持できる。そのため、ガスクリーニング頻度は、初期の状態のガスクリーニング頻度(累積膜厚5μm毎に1度のガスクリーニング)と同じにすることができ、COO向上に優れた効果がある。
When F 2 gas is used as the cleaning gas, the selection ratio (film etching rate / quartz etching rate) can be increased under F 2 gas cleaning conditions of 350 ° C. or lower, and Ra 2 −2 formed by chemical treatment. The
なお、400℃より高い温度でのClF3クリーニングガスを使用したクリーニングや350℃より高い温度でのF2クリーニングガスを使用したクリーニングでは、図3(B)に示すように、選択比(膜のエッチングレート/石英のエッチングレート)が高くとれず、石英インナーチューブ12の内壁に付着した膜30をエッチング除去する際に、薬液処理により形成したRa2〜4μmの凹凸121も削られてしまう。
In the cleaning using a ClF 3 cleaning gas at a temperature higher than 400 ° C. and the cleaning using an F 2 cleaning gas at a temperature higher than 350 ° C., as shown in FIG. (Etching rate / quartz etching rate) cannot be made high, and when the
このように、クリーニング時のクリーニングガス種や温度が選択比(膜のエッチングレート/石英のエッチングレート)に影響し、その結果、クリーニング後の石英インナーチューブ12の内壁の凹凸状態に影響を与えるが、クリーニング時の圧力については、上記は120Paの場合についてであるが、1Torr(133Pa)以下では、上記と同じ結果が得られる。
As described above, the cleaning gas type and temperature at the time of cleaning affect the selection ratio (film etching rate / quartz etching rate), and as a result, the uneven state of the inner wall of the quartz
図4は、リンドープトポリシリコン膜の形成を繰り返し、その度に発生するパーティクルを測定した結果と、累積膜厚との関係を示したものである。ここで、パーティクルが急に増加すると、それは、石英インナーチューブ12の内壁に付着した膜30にクラックが入り、そのためにパーティクルが発生したものであるので、その後、クリーニングを行っている。そして、このガスクリーニングは、ガスクリーニング後も、図3(B)に示すように、石英表面の凹凸状態を納入時の状態を維持できる条件、具体的には、クリーニングガスとしてClF3ガスを使用して、400℃で、クリーニングを行った。図中400DRY−CLNとはこの400℃におけるドライクリーニングを意味している。また、図中、TOPとは、石英ボート14の上部に保持した半導体ウェーハ16を、CTRとは石英ボート14の中央に保持した半導体ウェーハ16を、BTMとは石英ボート14の下部に保持した半導体ウェーハ16を、T−Cとは石英ボート14の上部と中央の間に保持した半導体ウェーハ16を、C−Bとは石英ボート14の下部と中央の間に保持した半導体ウェーハ16を、それぞれ意味する。なお、パーティクルの測定はレーザ散乱法によった。
FIG. 4 shows the relationship between the cumulative film thickness and the results of measuring the particles generated each time the formation of the phosphorus-doped polysilicon film is repeated. Here, if the particles suddenly increase, it is because the
図4(A)に示すように、石英インナーチューブ12の内壁に薬液処理によりRa2〜4μmの凹凸121を形成した場合には、累積膜厚が5.4μmになるまで、クリーニングを施す必要がなかったが、図4(B)に示すように、Ra0.5μm未満の凹凸を形成した場合には、累積膜厚3.5μmとなると、ガスクリーニングを施す必要があった。
As shown in FIG. 4A, in the case where the
なお、本実施の形態は、リン(P)ドープトポリシリコン膜の場合について説明したが、ボロン(B)ドープトポリシリコン膜や、ボロン(B)やリン(P)をドープしたアモルファスシリコン膜や、ノンドープトポリシリコン膜、ノンドープアモルファスシリコン膜であっても、本実施の形態とほぼ同じである。 In this embodiment, the case of a phosphorus (P) doped polysilicon film has been described. However, a boron (B) doped polysilicon film or an amorphous silicon film doped with boron (B) or phosphorus (P). Even a non-doped polysilicon film or a non-doped amorphous silicon film is almost the same as the present embodiment.
以上のように、CVD成膜装置での石英インナーチューブ表面(Ra:2〜4μm)を使ったDoped Poly Si、Doped Amorphouse Si、Non−Doped Poly Siでの成膜でのガスクリーニングサイクルの長期化が可能となり、ガスクリーニングに伴うダウンタイムを大幅に低減することが出来る。 As described above, the gas cleaning cycle is prolonged in the deposition with Doped Poly Si, Doped Amorphous Si, and Non-Doped Poly Si using the quartz inner tube surface (Ra: 2 to 4 μm) in the CVD film forming apparatus. And downtime associated with gas cleaning can be greatly reduced.
1…縦型CVD成膜装置
11…石英アウターチーブ
12…石英インナーチューブ
13…抵抗加熱ヒータ
14…石英ボート
15…キャップ
16…半導体ウェーハ
17…排気口
18…炉口シール板
21…SiH4、PH3供給配管
22、23…PH3供給配管
24…クリーニングガス供給配管
1 ... vertical CVD
Claims (2)
前記反応管内で基板を支持する支持具と、
前記反応管内に成膜ガスを導入する成膜ガス導入手段とを有し、前記基板上に薄膜を形成する基板処理装置であって、
少なくとも前記反応管の内壁面に、Raが2〜4μmの凹凸を形成したことを特徴とする基板処理装置。 A reaction tube;
A support for supporting the substrate in the reaction tube;
A substrate processing apparatus for forming a thin film on the substrate, comprising a film forming gas introducing means for introducing a film forming gas into the reaction tube,
A substrate processing apparatus, wherein Ra has an unevenness of 2 to 4 μm formed at least on the inner wall surface of the reaction tube.
前記反応管内に成膜ガスを供給して前記基板上に薄膜を形成する工程と、
前記反応管内から前記基板を搬出する工程と、
前記反応管内に前記基板が存在しない状態で前記反応管内にClF3ガスもしくはF2ガス供給することにより前記反応管内壁に付着した膜を除去するクリーニング工程と、を有する半導体デバイスの製造方法であって、
前記クリーニング工程ではClF3ガスを用いる場合は、クリーニング温度を400℃以下、F2ガスを用いる場合は、クリーニング温度を350℃以下とすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 A step of carrying the substrate into a reaction tube in which Ra has a roughness of 2 to 4 μm on the inner wall surface;
Supplying a deposition gas into the reaction tube to form a thin film on the substrate;
Unloading the substrate from within the reaction tube;
And a cleaning step of removing the film adhering to the inner wall of the reaction tube by supplying ClF 3 gas or F 2 gas into the reaction tube in the absence of the substrate in the reaction tube. And
In the cleaning step, when a ClF 3 gas is used, the cleaning temperature is set to 400 ° C. or lower, and when F 2 gas is used, the cleaning temperature is set to 350 ° C. or lower.
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