JP2006013106A

JP2006013106A - 半導体デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP2006013106A
Application number: JP2004187555A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Moriya; 敦森谷; Yasuhiro Inokuchi; 泰啓井ノ口
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】ＳｉまたはＳｉＧｅ等の半導体材料が露出している領域直上のみにＳｉやＳｉＧｅ等のシリコン含有膜を選択成長させるのではなく、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等が露出している領域上にもＳｉを横方向にせり出させて成長させる成膜工程を備える半導体デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】処理室１０８にウエハ１３０を搬入し、ウエハ１３０を加熱し、処理室１０８にシリコン含有ガス、エッチング性ガス、キャリアガスである水素を同時に供給し、ウエハ１３０上にシリコン膜を選択成長させる際に、水素を、エッチング性ガスの２０倍〜５０００倍の流量で供給する。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体デバイスの製造方法に関し、特に、縦型ＣＶＤ装置、横型ＣＶＤ装置、枚葉式ＣＶＤ装置等によりＳｉウエハ等の基板にＳｉまたはＳｉＧｅ成長膜を選択成長する工程を備える半導体デバイスの製造方法に関するものである。

ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)において、ゲート長の微細化に伴う短チャネル効果抑制のため、エレベイテッドソース/ドレイン(またはライズドソース/ドレイン)と呼ばれる技術が注目を集めている。

エレベイテッドソース/ドレインが形成されたＭＯＳＦＥＴ１０の概略縦断面図を図１に示す。素子分離領域１２に囲まれた素子形成シリコン領域１１上にゲート絶縁膜１７を介してゲート電極２０が形成されている。ゲート電極２０の側面にはサイドウォール１８が形成され、ゲート電極２０の上面にはゲート保護膜１９が形成されている。ゲート電極２０に対して自己整合的にソース１３およびドレイン１４が素子形成シリコン領域１１に形成されている。ソース１３およびドレイン１４上にのみエレベイテッドソース１５およびエレベイテッドドレイン１６がそれぞれ選択的に形成されている。エレベイテッドソース１５およびエレベイテッドドレイン１６は、Ｓｉが露出しているソース１３、ドレイン１４上にのみＳｉまたはＳｉＧｅをエピタキシャル成長させ、その他のＳｉＯ_２やＳｉＮ等が露出している素子分離領域１２等の領域には何も成長させない技術で一般的には選択成長とも呼ばれている技術によって形成されている。

ＳｉまたはＳｉＧｅの選択成長の原料ガスとしては、ＳｉＨ_４やＳｉ_２Ｈ₆、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２等のＳｉ含有ガスが用いられ、ＳｉＧｅの場合にはさらにＧｅＨ₄等のＧｅ含有ガスが加えられる。ＣＶＤ反応において原料ガスが導入されると、Ｓｉ上ではただちに成長が開始されるのに対して、ＳｉＯ_２やＳｉＮ上では潜伏期間と呼ばれる成長遅れが生じる。この潜伏期間の間、Ｓｉ上のみにＳｉまたはＳｉＧｅを成長させるのが選択成長である。
なお選択成長させる膜の膜厚を厚くしたい場合には、ＳｉＯ_２やＳｉＮ上での潜伏期間を長くする目的でＨＣｌやＣｌ_２などのエッチング性ガスがしばしば添加される。

ソース／ドレイン１３、１４部に選択成長したＳｉは、その上にさらにＣｏやＮｉが成膜され、電極形成時にコンタクト抵抗を下げるためにＣｏシリサイドやＮｉシリサイド化される。この電極形成時にコンタクト抵抗を下げるためには接触面積を広くすることが有効であるため、Ｓｉが露出しているソース／ドレイン部１３、１４にのみにＳｉを成長させるのではなく、図２に示すようにＳｉＯ_２やＳｉＮ等が露出している領域２１５、２１６（非選択成長領域）にもＳｉを横方向にせり出させて成長させたい要求が高まっている。

従って、本発明の主な目的は、ＳｉまたはＳｉＧｅ等の半導体材料が露出している領域直上のみにＳｉやＳｉＧｅ等のシリコン含有膜を選択成長させるのではなく、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等が露出している領域上にもＳｉを横方向にせり出させて成長させる成膜工程を備える半導体デバイスの製造方法を提供することにある。

本発明によれば、
処理室に基板を搬入する工程と、
前記基板を加熱する工程と、
前記処理室にシリコン含有ガス、エッチング性ガス、キャリアガスである水素を同時に供給する処理ガス供給工程と、
前記基板上にシリコン含有膜を選択成長させる工程と、を含み、
前記処理ガス供給工程では、前記キャリアガスである水素を、前記エッチング性ガスの２０倍〜５０００倍の流量で前記処理室に供給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。
基板上に形成されるシリコン含有膜は、好ましくは、ＳｉまたはＳｉＧｅである。

また、本発明によれば、
処理室に基板を搬入する工程と、
前記基板を加熱する工程と、
前記処理室にシリコン含有ガス、エッチング性ガス、キャリアガスである水素を同時に供給する処理ガス供給工程と、
前記基板上にシリコン含有膜を選択成長させる工程と、を含み、
前記処理ガス供給工程では、前記キャリアガスである水素を、１０，０００ｓｃｃｍ以上の流量で前記処理室に供給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。
好ましくは、前記処理ガス供給工程では、前記キャリアガスである水素を、１０，０００ｓｃｃｍ〜５０，０００ｓｃｃｍの流量で前記処理室に供給する。
好ましくは、前記処理ガス供給工程では、前記キャリアガスである水素を、１０，０００ｓｃｃｍ以上の流量であって、前記エッチング性ガスの２０倍〜５０００倍の流量で前記処理室に供給する。
さらに好ましくは、前記処理ガス供給工程では、前記キャリアガスである水素を、１０，０００ｓｃｃｍ〜５０，０００ｓｃｃｍの流量であって、前記エッチング性ガスの２０倍〜５０００倍の流量で前記処理室に供給する。

また、基板上に形成されるシリコン含有膜は、好ましくは、ＳｉまたはＳｉＧｅである。

本発明によれば、ＳｉまたはＳｉＧｅ等の半導体材料が露出している領域直上のみにＳｉやＳｉＧｅ等のシリコン含有膜を選択成長させるのではなく、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等が露出している領域上にもＳｉを横方向にせり出させて成長させる成膜工程を備える備える半導体デバイスの製造方法が提供される。

次に、本発明の好ましい実施例を説明する。
本発明の好ましい実施例は、ＳｉまたはＳｉＧｅの選択成長においてキャリアガスであるＨ_２を大流量流すことで非選択成長領域へせり出した横方向への成長を可能とするものである。

ここで、本発明の好ましい実施例において使用した一般的なホットウオール式縦型減圧ＣＶＤ装置を説明するための概略縦断面図を図３に、ホットウォール式縦型減圧ＣＶＤ装置の反応炉を説明するための概略縦断面図を図４にそれぞれ示す。

本実施例のホットウォール式縦型減圧ＣＶＤ装置２００は、反応炉１００と、制御装置１４１と、ガス供給装置１４２と、真空排気装置１４３とを備えている。図４を参照すれば、反応炉１００は、ベース１１２と、その上に設けられたマニホールド１１１と、アウターチューブ１０３と、その内部に設けられたインナーチューブ１０４と、アウターチューブ１０３の外部に設けられたヒータ１０１と、ヒータ１０１とアウターチューブ１０３を覆って設けられた断熱材１０２とを備えている。ヒータ１０１と断熱材１０２とによりアウターチューブ１０３内部全体を加熱する。アウターチューブ１０３はマニホールド１１１の上部フランジ１１８上に設けられ、インナーチューブ１０４はマニホールド１１１の中程で内側に向かって突きだしたフランジ１１９上に設けられている。

シールキャップ１１３上にはボート１０５が搭載されている。ボート１０５を搭載したシールキャップ１１３がベース１１２の開口１２０から挿入され、シールキャップ１１３が上昇してシールキャップ１１３によって開口１２０が閉じられるとボート１０５がインナーチューブ１０４内に位置する。ボート１０５は回転機構１１４によって回転される。ボート１０５には複数のウエハ１３０が垂直方向に積層されて搭載されている。インナーチューブ１０４内がウエハ１３０を処理する処理室１０８となる。ボート下部のマニホールド１１１に相当する高さの部分には、断熱板１０７が搭載されている。

マニホールド１１１の側壁には、排気管１１６が取り付けられており、排気管１１６は真空排気装置１４３に接続されている。シールキャップ１１３を貫通して供給管１１５が設けられている。供給管１１５は、ガス供給装置１４２に接続されている。ＳｉまたはＳｉＧｅの選択成長の原料ガスである、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ₆、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＧｅＨ₄等が、供給管１１５よりインナーチューブ１０４の下部から導入される。その後、インナチューブ１０４内を上昇し、その後、アウタチューブ１０３とインナチューブ１０４との間の隙間を通って、排気管１１６に接続された真空排気装置１４３により排気される。

シールキャップ１１３を下降して、ボート１０５をインナーチューブ１０４から搬出した後は、ゲートバルブ１１７（図３参照）によって、ベース１１２の開口１２０を閉じる。図３を参照すれば、このようにして処理炉１００の下部に搬出されたボート１０５とウエハカセット１５２との間でウエハ１３０を移載する移載機１５１が設けられている。

ヒータ１０１、ガス供給装置１４２、真空排気装置１４３、回転機構１１４、ゲートバルブ１１７、移載機１５１は制御装置１４１によって制御される。

ウエハカセット１５２により投入されたウエハ(Ｓｉ基板)１３０は移載機１５１によりウエハカセット１５２からボート１０５に移載される。全てのウエハ１０５の移載が完了するとボート１０５はインナーチューブ１０４内へ挿入され、アウターチューブ１０３内は真空排気装置１４３により減圧される。そしてヒータ１０１により所望の温度に加熱し温度が安定したところでガス供給装置１４２により供給管１１５を介して原料ガスを供給し、ウエハ(Ｓｉ基板)１３０上にＣＶＤ反応によりＳｉまたはＳｉＧｅを選択成長させる。

Ｓｉの選択成長はＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２等のＳｉ含有ガスとＨＣｌやＣｌ_２等のエッチングガスとを同時に流すか交互に流すことで成膜を行うが、その際キャリアガスとしてＨ_２がしばしば用いられる。本実施例はＳｉ含有ガスとエッチングガスとキャリアガスを同時に流す場合に、キャリアガスであるＨ_２を大流量流すもので、具体的には数万ｓｃｃｍ流すものである。

通常キャリアガスは成膜圧力が高くならないようにするために、数百ｓｃｃｍ程度しか流さず、多くとも数千ｓｃｃｍ程度であった。また、選択的にＳｉを成長させるのではなく、全面にＳｉを成長させる場合では、キャリアガスであるＨ_２の流量が多いほど成長速度が遅くなることが知られており、やはり成膜時にはＨ_２は数百ｓｃｃｍ程度しか流さず、多くとも数千ｓｃｃｍ程度であった。

しかしながら、本発明らは、Ｓｉ含有ガスとエッチングガスとキャリアガスを同時に流す場合、キャリアガスであるＨ_２の流量が多いほど成長速度が速くなり、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等が露出している領域へＳｉが横方向にせり出して成長することを見出した。

これは、Ｈ_２を大流量流すことで、ＨＣｌやＣｌ_２等のエッチングガスのＳｉ（選択成長領域）上でのエッチング作用が弱まり、Ｓｉ上でのＳｉの成長速度が速くなるからである。通常成長速度が速くなったり、エッチングガスの作用が弱まってしまうと、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等が露出している領域（非成長領域）にまでＳｉ核が成長してしまい、いわゆる選択破れが生じやすくなる。しかし本発明ではＨ_２を大流量流すことで、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等が露出している領域（非成長領域）がＨにより高密度で覆われるためＳｉ核が成長しにくくなり、選択破れを起こすことはなく、つまり選択性を確保したまま、Ｓｉ上でのみ成長速度が速くなるものと思われる。

本発明を実施しなかった場合の成膜例を図５、本発明を実施した場合の成膜例を図６にそれぞれ示す。この時のプロセス条件を表１に示す。

Ｈ_２流量が１０００ｓｃｃｍの図５と比較して、Ｈ_２流量が２００００ｓｃｃｍの図６ではＳｉＮが露出している非選択成長領域にもＳｉが大きくせり出して成長していることが分かる。

本実施例では、Ｈ_２流量が２００００ｓｃｃｍの場合を示したが、流量が多ければ多いほど非選択成長領域への横方向の成長は大きくなる。しかし、Ｈ_２流量が多いと排ガスを爆発下限まで希釈するＮ_２流量も増やさなくてはならなくなるため、実際には１００００から５００００ｓｃｃｍ程度が実用的な流量範囲である。

また、エッチングガスの作用を抑制するためには、エッチングガスの流量の２０倍〜５０００倍の流量でＨ_２を流すことが好ましい。

以上説明したように、本発明により、Ｓｉが露出しているソース／ドレイン部にのみにＳｉを成長させるのではなく、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等が露出している領域にもＳｉを横方向にせり出させて成長させることが可能となる。

なお、上記実施例では、ホットウオール式縦型減圧ＣＶＤ装置でＳｉを選択成長する場合について説明したが、本発明はＰやＢがドーピングされる場合やＳｉＧｅの選択成長にも適用可能である。また、ＭＯＳＦＥＴでのエレベーテッドソース／ドレインへの選択成長のみならず、自己整合型ＳｉＧｅ−ＨＢＴ（Hetero-bipolar transistor）でのベース層の選択成長等、その他の選択成長へも適用可能である。また、ホットウオール式縦型減圧ＣＶＤ装置だけでなく、コールドウオール式や横型減圧ＣＶＤ装置や枚葉式ＣＶＤ装置等の各ＣＶＤ装置に適用可能である。

エレベーテッドソース/ドレインが形成されたＭＯＳＦＥＴの構造を説明するための概略縦断面図である。ソース／ドレインからせり出して選択成長させた場合のＭＯＳＦＥＴの構造を説明するための概略縦断面図である。ホットウォール式縦型減圧ＣＶＤ装置を説明するための概略縦断面図である。ホットウォール式縦型減圧ＣＶＤ装置の反応炉を説明するための概略縦断面図である。本発明を実施しない比較例の成膜を示す図である。本発明の実施例の場合の成膜を示す図である。

符号の説明

１０…ＭＯＳＦＥＴ
１１…素子形成シリコン領域
１２…素子分離領域
１３…ソース
１４…ドレイン
１５…エレベイテッドソース
１６…エレベイテッドドレイン
１７…ゲート絶縁膜
１８…サイドウォール
１９…ゲート保護膜
２０…ゲート電極
１００…反応炉
１０１…ヒータ
１０２…断熱材
１０３…アウターチューブ
１０４…インナーチューブ
１０５…ボート
１０７…断熱板
１０８…処理室
１１１…マニホールド
１１２…ベース
１１３…シールキャップ
１１４…回転機構
１１５…供給管
１１６…排気管
１１７…ゲートバルブ
１１８…フランジ
１１９…フランジ
１２０…開口
１３０…ウエハ
１３１…プロダクトウエハ
１３２…ダミーウエハ
１３３…シリコン層
１４１…制御装置
１４２…ガス供給装置
１４３…真空排気装置
１５１…移載機
１５２…ウエハカセット
２００…ホットウォール式縦型減圧ＣＶＤ装置
２１５…せり出して選択成長したエレベイテッドソース
２１６…せり出して選択成長したエレベイテッドドレイン

Claims

処理室に基板を搬入する工程と、
前記基板を加熱する工程と、
前記処理室にシリコン含有ガス、エッチング性ガス、キャリアガスである水素を同時に供給する処理ガス供給工程と、
前記基板上にシリコン含有膜を選択成長させる工程と、を含み、
前記処理ガス供給工程では、前記キャリアガスである水素を、前記エッチング性ガスの２０倍〜５０００倍の流量で前記処理室に供給することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。