JP2006294953A

JP2006294953A - 半導体装置の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP2006294953A
Application number: JP2005115325A
Authority: JP
Inventors: Fumiki Aiso; 史記相宗; Arihito Ogawa; 有人小川
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; Elpida Memory Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】成長速度を低下させずに１サイクルあたりの選択性を維持するのに可能な成長時間を延ばすことができ、実効的な生産性を向上することができる半導体装置の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【解決手段】表面の少なくとも一部にシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜を有し、かつシリコン表面が露出したシリコン基板を有する半導体装置の製造方法であって、シリコン基板をチャンバー内に挿入し、チャンバー内に、塩素を含むガスと、水素を含むガスと、シラン系のガスまたはゲルマン系のガスの少なくとも一方とを順次導入することにより、選択的にシリコン表面のみにエピタキシャル成長を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置の製造方法及び製造装置に係り、例えば、MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）におけるソース/ドレイン上に選択シリコンエピタキシャル成長するための製造方法及び製造装置に関する。

MOSFETの高集積化及び高性能化に伴い、半導体デバイス特性の向上と微細化の両立が要求されている。この両立を実現するために、MOSFETのソース/ドレインの課題として、リーク電流低減及び低抵抗化などが求められている。これらの問題を解決する方法の一つとして、ソース/ドレイン上にシリコンエピタキシャル膜を選択成長させる方法がある。代表的なシリコンエピタキシャル成長の半導体デバイスでの適用フローを図８〜１０に示す。

まず、シリコン基板１０の所定の位置にSTI（シャロートレンチアイソレーション）技術等を用いて素子分離領域のシリコン酸化膜１１を形成する。次に、ゲート酸化膜１２を形成する（図８（ａ）参照）。

ゲート酸化膜１２上にCVD技術を用いて多結晶シリコン膜１３、タングステン膜１４、マスクとなるシリコン窒化膜１５を成長する（図８（ｂ）参照）。

続いて、リソグラフィー技術及びドライエッチング技術を用いて多結晶シリコン１３の途中までゲート配線のパターンを形成する（図９（ａ）参照）。

続いて、酸化及びタングステン−多結晶シリコン間の界面抵抗抑制のためのシリコン窒化膜１６を薄く成長させ、ドライエッチング技術を用い全面のエッチバック及び多結晶シリコンの残りのエッチングを行う（図９（ｂ）参照）。

イオン注入等を行い、拡散層のチャネル部分のドーピングを行った後、再度シリコン窒化膜１７を形成し、エッチバックを行うことで基板上にゲート酸化膜を露出させる（図１０（ａ）参照）。

この後選択成長プロセスを開始する。選択成長プロセスはシリコン基板上のみ単結晶シリコンを持ち上げ、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜が露出した部分の成長は行わない技術である。そのため、シリコン基板上のゲート酸化膜は希フッ酸等を用い除去した後、選択エピタキシャル成長を開始する。

選択エピタキシャル成長後は図１０（ｂ）に示すように、エピタキシャル層１８が形成され拡散層領域のシリコンのみ持ち上がる。その後、イオン注入等を行い、上部配線のパターニング工程に進む。選択エピタキシャル成長技術を用いることで微細化したデバイスの拡散層領域の面積を拡大することなくゲート酸化膜下のチャネル領域の電界を抑制することができる。

従来のシリコンエピタキシャル膜を選択成長させる方法として、ジクロルシランを成長性のガス、塩化水素をエッチング性のガスとして水素で希釈を行い、８００℃以上の温度で１０００Pa〜１００００Pa程度の減圧化で成長を行う方法があった。また、ジシランガスと塩素ガスを用い、６００〜７００℃の温度で１０-６（マイナス６乗）Pa程度の高真空の雰囲気で成長を行う方法もあった。後者の高真空のエピタキシャル成長は前者に比べて低温で可能なため、今後の微細なデバイスに要求される低温化に見合っている。

高真空のエピタキシャルシリコンの代表的な従来技術としては、特許文献１においてシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの少なくとも一方と塩素ガスもしくはフッ素ガスを交互に照射し、選択シリコンエピタキシャル成長を行っている。

高真空のエピタキシャルシリコン装置及びエピタキシャルシリコンの成長方法に関して従来技術を説明する。

成長装置としては，図７に示されるように，ランプ加熱型のコールドウォールの成長装置を用いる。

気密な石英の反応チャンバー２０１中にセラミック等で構成されたサセプタ２０２があり、半導体デバイスとなるシリコン基板２００が導入される。反応チャンバー２０１の加熱はランプ２０３ａ、２０３ｂで行われ、シリコン基板２００（ウェハ）は成長中サセプタ２０２ごと回転できるような磁気シール機構２０４を有している。

成長ガスのジシラン（Si2H6）及びエッチングガスの塩素（Cl2）は反応チャンバー２０１の側壁に設けられたガス導入部２０５より導入される。これらのガスはマスフローコントローラ等の流量制御がされているものとする。排気ラインを通じ、ゲートバルブ２０６を介してメターボ分子ポンプ２０７にて排出される。シール部は脱ガスの少ないメタルタイプのOリングを用い、ガスを導入しない状態で１０-６Pa以下まで排気可能であるような気密が得られるものとする。

反応チャンバー２０１内を水素あるいは窒素等の不活性ガスで満たした状態でウェハを反応チャンバー２０１に挿入し後は、パイロメータ等を用いてウェハ温度を約６２５℃になるようにヒータ出力をクローズドループ制御でコントロールしながら、まず高真空に排気する。その後、ゲートバルブ２０６を全開にして，図１１に示されるようなサイクリックなガスの導入を繰り返す。

即ち、まず塩素ガスを２０sccm３０秒程度導入し、その後一旦塩素ガスを排出し９０秒程度高真空まで排気した後、ジシランガスを３０sccm３０秒程度導入する。再び高真空まで排気し、再度エッチングガスを導入する。これを繰り返すことにより、ウェハ上でシリコン基板が露出している領域のみ選択的にエピタキシャルシリコンの成長が可能となる。

上記の説明の様に、成長を交互にガスを流して行う理由としては、ジシランガスのみを流し続けているとシリコン窒化膜やシリコン酸化膜上に非選択的な成長が発生してしまうためである。シリコン膜の形成のメカニズムとしては初期にシリコンの微小な成長核が形成され、そこから成長が始まるとみられる。

コールドウォールタイプの高真空成長装置では、シリコン上には成長開始直後より成長が開始されるが、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜上においては核形成が成長開始から１分程度の間は起こらない。また、シリコン膜は塩素ガスで除去できることが判っている。３０秒間程度のジシランを導入することによりシリコン基板のみシリコンが成長し、塩素によりわずかにシリコン窒化膜やシリコン酸化膜上の初期核のシリコンエッチング行う。これらを交互に繰り返すことによりシリコン基板のみエピタキシャルシリコンが持ち上がり、シリコン窒化膜やシリコン窒化膜上には何も成長を起こさなくすることにより選択成長が実現できる。

なお、上記コールドウォール型のエピタキシャル成長はシリコン基板のみ加温されている状態であり、ほぼ完全に反応律速な系での成長であるため、ウェハ面内の熱分布が±２℃以内であれば、おおよそ±３％以内のエピタキシャルシリコン膜厚を得ることができる。

従来のコールドウォール型の枚葉式のエピタキシャルシリコン成長方法に関しては、選択性が確保できる成長速度は１サイクルあたり２.５nm程度であった。また、１サイクルあたり最短でも３分程度は要してしまう。従って、例えば５０nm程度の選択エピタキシャル成長を実施しようとすると，それだけで１枚あたり１時間程度も要してしまい、とても実用的な処理能力を得ることはできなかった。従って、量産装置として実用的な成長速度を得るためにはバッチ式のエピタキシャル成長装置が求められていた。

しかしながら、バッチ式のエピタキシャル成長装置の場合、複数のウェハに対し均一にランプにて熱を加えるということは構造的に困難であり、抵抗加熱式のホットウォール型の成長装置で成長を行わざるを得なかった。ホットウォール式の成長装置に関しては、ウェハ表面のみが加熱された系であるコールドウォール式の成長装置と異なり、ガスがウェハに届くまでの間にある程度加温され分解されてしまうため、コールドウォール型と比較して反応系が大幅に変ってしまい、成長速度や選択性、ウェハ面内やウェハ間の成長量の均一性を得ることが極めて困難であった。

実際に、従来技術の方法を用いてホットウォール型のバッチ式の成長装置で枚様式と同じシーケンスを用いて選択エピタキシャル成長を行った場合、１サイクルで成長できる成長量は０.３nm程度しか得られなかった。処理能力を上げる目的でジシランの流量や流す時間を増やすことを試したが、ガス導入口付近で選択成長が起こらなくなり、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜上にシリコンが形成してしまうという問題があった。

特開平４−１３９８１９号公報

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、成長速度を低下させずに１サイクルあたりの選択性を維持するのに可能な成長時間を延ばすことができ、実効的な生産性を向上することができる半導体装置の製造方法及び製造装置を提供することにある。

本発明では、表面の少なくとも一部にシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜を有し、かつシリコン表面が露出したシリコン基板を有する半導体装置の製造方法において、シリコン基板をチャンバー内に挿入し、チャンバー内に、塩素を含むガスと、水素を含むガスと、シラン系のガスまたはゲルマン系のガスの少なくとも一方とを順次導入することにより、選択的にシリコン表面のみにエピタキシャル成長を行うことを特徴とする。

好ましくは、前記塩素を含むガスを導入するときに、窒素ガス、ヘリウムガス及びアルゴンガスから成るグループの中から選ばれた少なくとも一つの不活性ガスを同時に導入する。ここで、前記不活性ガスが５００〜１００００sccmであることが好ましい。

好ましくは、同一のチャンバー内で、２枚以上の前記シリコン基板の処理を同時に行うバッチ式の装置でエピタキシャル成長を行う。

また、本発明では、表面の少なくとも一部にシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜を有し、かつシリコン表面が露出したシリコン基板を有する半導体装置の製造方法において、シリコン基板をチャンバ内に挿入し、チャンバー内に、塩素を含むガスと、水素を含むガスと、ジシランとモノシランの混合ガスとを順次導入することにより、選択的にシリコン表面のみにエピタキシャル成長を行うことを特徴とする。

ここで、前記ジシランガスとモノシランガスの混合比が１:５〜５:１であることが好ましい。

また、本発明では、表面の少なくとも一部にシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜が露出しているシリコン基板を有する半導体装置の製造方法において、塩素を含むエッチング性のガスを流し、真空引きを行い、続いて水素を導入し、真空引きを行い、ジシランを含む成長ガスを流し、真空引きを行うことを特徴とする。

また、本発明では、表面の少なくとも一部にシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜が露出しているシリコン基板を有する半導体装置の製造方法において、塩素を含むエッチング性のガスを流し、真空引きを行い、続いて水素を導入し、真空引きを行い、ジシランとシランの混合ガスを成長ガスとして流し、真空引きを行うことを特徴とする。

また、本発明では、表面の少なくとも一部にシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜が露出しているシリコン基板を有する半導体装置の製造方法において、塩素を含むエッチング性のガスを流し、真空引きを行い、続いて水素を導入し、真空引きを行い、ジシランを含む成長ガスを流し、真空引きを行い、塩素を含むのエッチング性のガスに対して不活性ガスで希釈することを特徴とする。

ここで、前記不活性ガスは、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス及びアルゴンガスから成るグループの中から選ばれた少なくとも一つである。

また、本発明では、基板を処理する処理容器と、処理容器内で基板を支持する支持具と、処理容器内にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの少なくとも一方、塩素ガスもしくはフッ素ガス、水素系ガス及び窒素ガスを供給する供給手段と、処理容器内の基板を加熱する加熱手段と、表面に少なくともシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜を有し、かつシリコン表面が露出したシリコン基板上にシリコン膜を成長させる際に、窒素ガスと塩素ガス、水素系ガス及びシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの少なくとも一方を順次供給するよう制御する制御手段とを有することを特徴とする。

この場合、ホットウォールタイプの反応管を有し、半導体基板に対し横方向からガスを導入し、第１及び第２のポンプを切り替えて排気を行いながら、塩素を含むエッチング性のガス、水素ガス及びジシランを含む成長ガスを交互に流せる機構を有することが好ましい。

また、ホットウォールタイプの反応管を有し、半導体基板に対し横方向からガスを導入し、第１及び第２のポンプを切り替えて排気を行いながら、塩素を含むエッチング性のガス、水素ガス、ジシラン及びシランの混合ガスを交互に流せる機構を有することが好ましい。

また、ホットウォールタイプの反応管を有し、半導体基板に対し横方向からガスを導入し、第１及び第２のポンプを切り替えて排気を行いながら、不活性ガスで希釈した塩素を含むエッチング性のガス、水素ガス、ジシランを含む成長ガスを交互に流せる機構を有することが好ましい。

本発明では、ジシランガスとモノシランガスを混合し成長ガスとして用いることで、成長速度を低下させずに１サイクルあたりの選択性を維持するのに可能な成長時間を延ばすことができ、実効的な生産性を向上することができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について図を用いて説明する。半導体基板は，図１０（ａ）に示されているように，シリコン基板上に所定の素子分離領域及びシリコン窒化膜で覆われたゲート配線を有するものを用いる。本発明のエピタキシャル成長装置の概略図を図１に示す。

成長装置は石英のチャンバー１０１内にウェハ支持台（ボート）１０３が置かれている。半導体デバイスとなるシリコンウェハ１００はボート１０３上に置かれる。図面上、ボート１０３上のウェハは簡易的に２枚で記述しているが、抵抗加熱のホットウォール成長装置でチャンバー１０１がウェハに対して十分な熱容量を有していれば処理枚数は３枚でも問題は無い。

チャンバー１０１全体を抵抗加熱のヒータ１０２ａ，１０２ｂで囲っており、ヒータ１０２ａ、１０２ｂは断熱材１０４で覆われている。シリコンウェハ１００のチャンバー１０１への導入は気密構造のマニホールド１０５に設けられたゲートバルブ１０６を介して行われる。チャンバー１０１はゲートバルブ１０６を介してロードロックタイプの大気と遮断された搬送ロボットを有するチャンバー１０１に接続されており、搬送ロボットでシリコンウェハ１００はチャンバー１０１へ搬送されるものとする。

ガス導入部排気部には、マニホールド１０８を介して排気配管１０９が接続されている。ポンプにはメインバルブ１１０を介してターボ分子ポンプ１１１とメカニカルブースタポンプ１１２が並列に接続されている。

メインバルブ１１０はターボ分子ポンプ１１１とメカニカルブースタポンプ１１２を相補的に切り替える方式となっており、一方が開いた場合にもう一方は開かない構造となっているものとする。

ターボ分子ポンプ１１１により全開で排気している場合の到達圧力は１０-６Pa程度の高真空が得られるものとする。また，メカニカルブースタポンプ１１２で排気している場合の到達圧力は０.１Pa程度の真空が得られるものとする。

以下に本装置を用いた選択エピタキシャルシリコンの成長方法を説明する。成長のシーケンスは図２に示された方法による。

ヒータ制御でチャンバー温度を６５０℃に保ち、シリコンウェハ１００がチャンバー１０１に搬送されたらターボ分子ポンプ１１１を用い、到達圧力まで真空引きを行う。続いて、塩素ガス（Cl2）を２０sccm程度約３０秒間流してシリコン表面の清浄化を行った後、一旦ターボ分子ポンプ１１１で真空引きを１０秒程度行い、水素（H2）に切り替える。水素は６０秒間１０００sccm程度流すが、この間排気ラインはメカニカルブースタポンプ１１２に切り替える。

水素を流した後に，再度ターボ分子ポンプ１１１を全開にして２０秒程度高真空まで真空引きを行い、ジシラン（Si2H6）を３０sccmの流量で２０秒間導入する。再度３０秒程度ターボ分子ポンプ１１１を用いて真空引きを行い，再び塩素ガスを３０秒間流す。更に引き続き，１０秒程度ターボ分子ポンプ１１１で真空引きを行った後、メカニカルブースタポンプ１１２側に排気を切り替え、水素を６０秒間１０００sccm導入する。再度２０秒高真空まで真空引きを行い、ジシラン３０sccmを２０秒間導入する。即ち，塩素を用いたパージと水素を用いたパージとジシランを用いたパージをサイクリックに繰り返して成長を実施する。また、シラン系のガスではなく、ゲルマン系のガスを導入しても良い。

上記シーケンスを用いることにより、１サイクルあたり２nm程度の成長を得ることができる。１サイクルあたりに要する時間は従来技術と同様に約３分程度であった。５０nmのエピタキシャルシリコン成長を実施するためには２５サイクルで１バッチあたり７５分程度の時間を要するが、バッチの成長装置であるため従来の枚葉式装置以上の生産性を得ることができる。なお、エピタキシャルシリコンの成長厚さの均一性に関しては面内で５〜７％程度を得ることができた。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る選択エピタキシャルシリコンの成長方法を示す。成長装置は第１の実施の形態に示されるものと同様のホットウォール型の高真空チャンバーを用いて行う。本発明の第２の実施の形態における成長シーケンスを図３に示す。

ヒータ制御でチャンバー温度を６２５℃に保ち、シリコンウェハ１００がチャンバー１０１に搬送されたらメカニカルブースタポンプ１１２を用い、到達圧力まで真空引きを行う。続いて、塩素ガス（Cl2）２０sccmと窒素ガス（N2）１０００sccmを約３０秒間流してシリコン表面の清浄化を行った後、そのままメカニカルブースタポンプ１１２で真空引きを１０秒程度行い、水素（H2）に切り替える。

水素は６０秒間１０００sccm程度流す。水素を流した後に今度はターボ分子ポンプ１１１を全開にして２０秒程度高真空まで真空引きを行い、ジシラン（Si2H6）を３０sccmの流量で２０秒間導入する。再度３０秒程度ターボ分子ポンプ１１１を用いて一旦真空引きを行い、再びメカニカルブースタポンプ１１２に切り替え塩素ガス２０sccmと窒素ガス１０００sccmの混合ガスを３０秒間流す。更に引き続き，１０秒程度メカニカルブースタポンプ１１２で真空引きを行った後、水素を６０秒間１０００sccm導入する。再度２０秒高真空まで真空引きを行い、ジシラン３０sccmを２０秒間導入する。即ち，窒素及び塩素を用いたパージと水素を用いたパージ及びジシランを用いたパージをサイクリックに繰り返して成長を実施する。また、シラン系のガスではなく、ゲルマン系のガスを導入しても良い。また、塩素を含むガスを導入するときに、窒素ガスではなくヘリウムガス及びアルゴンガス等の不活性ガスを導入しても良い。この場合、不活性ガスが５００〜１００００sccmであることが好ましい。

上記シーケンスを用いることにより、１サイクルあたり２nm程度の成長を得ることができる。１サイクルあたりに要する時間は従来技術同様約３分程度であった。５０nmのエピタキシャルシリコン成長を実施するためには２５サイクルで１バッチあたり７５分程度の時間を要するが、バッチの成長装置であるため従来の枚葉式装置以上の生産性を得ることができる。なおエピタキシャルシリコンの成長厚さの均一性に関しては面内で±３％以内を得ることができた。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態に係る選択エピタキシャルシリコンの成長方法を示す。成長装置は第１の実施の形態に示されるものと同様のホットウォール型の高真空チャンバーを用いて行う。

第３の実施の形態に係る成長シーケンス自体はほぼ第２の実施の形態と同様であるが、シリコンとソースとなる成長ガスと１サイクルあたりの成長時間が異なる。

ヒータ制御でチャンバー温度を６２５℃に保ち、シリコンウェハ１００がチャンバー１０１に搬送されたらメカニカルブースタポンプ１１２を用い、到達圧力まで真空引きを行う。続いて、塩素ガス（Cl2）２０sccmと窒素ガス（N2）１０００sccmを約３０秒間流してシリコン表面の清浄化を行った後、そのままメカニカルブースタポンプ１１２で真空引きを１０秒程度行い、水素（H2）に切り替える。水素は６０秒間１０００sccm程度流す。水素を流した後に今度はターボ分子ポンプ１１１を全開にして２０秒程度高真空まで真空引きを行い、ジシラン（Si2H6）１５sccmにモノシラン（SiH4）を１５sccm混合したガスを４０秒間導入する。再度３０秒程度ターボ分子ポンプ１１１を用いて一旦真空引きを行い、再びメカニカルブースタポンプ１１２に切り替え塩素ガス２０sccmと窒素ガス１０００sccmの混合ガスを３０秒間流す。更に引き続き、１０秒程度メカニカルブースタポンプ１１２で真空引きを行った後、水素を６０秒間１０００sccm導入する。再度２０秒高真空まで真空引きを行い、ジシラン１５sccmにモノシラン（SiH4）を１５sccm混合したガスを４０秒間導入する。即ち、窒素及び塩素を用いたパージと水素を用いたパージ及びジシランとモノシランの混合ガスを用いたパージをサイクリックに繰り返して成長を実施する。また、シラン系のガスではなく、ゲルマン系のガスを導入しても良い。また、塩素を含むガスを導入するときに、窒素ガスではなくヘリウムガス及びアルゴンガス等の不活性ガスを導入しても良い。この場合、不活性ガスが５００〜１００００sccmであることが好ましい。また、ジシランガスとモノシランガスの混合比が１:５〜５:１であることが好ましい。

上記シーケンスを用いることにより、１サイクルあたり３.７nm程度の成長量を得ることができる。１サイクルあたりに要する時間は従来技術同様３分２０秒程度であった。５０nmのエピタキシャルシリコン成長を実施するためには約１４サイクルであり、１バッチあたり４５分程度の時間まで短縮される。バッチの成長装置であるため従来の枚葉式装置以上の生産性を得ることができる。なおエピタキシャルシリコンの成長厚さの均一性に関しては面内で±３％以内を得ることができた。

なお、本発明の実施例はシリコンエピタキシャル成長を一例として説明を行ったが、本方法はシリコン−ゲルマニウムのエピタキシャル成長でも使用できる。またノンドープのシリコンまたはシリコンゲルマニウムエピタキシャル成長に限らず、ボロン等のＰ型不純物をドープしたものやリン等のＮ型不純物をドープしたものにも使用できる。更に本発明の実施形態において２枚葉型の成長装置を用いて説明したが、例えばチューブタイプの多枚葉式の成長装置でも使用可能である。

本発明の第１の実施の形態で説明したように、バッチ式のホットウォール型成長装置を用いたエピタキシャルシリコンの成長方法において、塩素等のエッチングガスを用いたガスの導入と水素ガスの導入とジシラン等の成長ガスの導入を交互に繰り返すことにより、コールドウォールの成長装置と同等程度のエピタキシャルシリコンの成長速度を得ることができ、バッチ式成長装置のため同等以上の生産性を得ることができる。

また、本発明の第２の実施の形態で説明したように、バッチ式のホットウォール型成長装置を用いたエピタキシャルシリコンの成長方法において、適量の窒素で希釈した塩素等のエッチングガスを用いたガスの導入と水素ガスの導入とジシラン等の成長ガスの導入を交互に繰り返すことにより、コールドウォールの成長装置と同等程度のエピタキシャルシリコンの成長速度を得ることができ、コールドウォールの成長装置と同等程度の成長量の均一性を得ることができる。

更に、本発明の第３の実施の形態で説明したように、バッチ式のホットウォール型成長装置を用いたエピタキシャルシリコンの成長方法において、適量の窒素で希釈した塩素等のエッチングガスを用いたガスの導入と水素ガスの導入とジシランとシランの混合ガスの導入を交互に繰り返すことにより、コールドウォールの成長装置と同等以上のエピタキシャルシリコンの成長速度を得ることができ、コールドウォールの成長装置と同等程度の成長量の均一性を得ることができる。

ホットウォール型の成長装置においては、チャンバーもプロセス温度に近い温度まで加温されてしまう。従って、導入するガスに関してもウェハに届くまでにある割合の分解が生じてしまう。

特に、高真空のエピタキシャル成長装置で実際に用いられる６００〜７００℃の成長においては特にエッチングガスの塩素ガス分子は多くの割合分解され、エッチング性の高い塩素ラジカルを形成する。コールドウォールの場合、気相で塩素ラジカルがほとんど生成しないためエピタキシャル層のエッチング速度は極めて小さいが、ホットウォールの場合は大きくなる。また、コールドウォールでのシーケンスのように塩素ガスでパージした後に一旦真空に引いただけでジシランを流すというやり方では、塩素パージ時での塩素ラジカルがシリコン表面に吸着して残ってしまい、ジシランパージステップでのシリコン成長そのものが起こりにくくなってしまう。

この現象を示したものが図４である。これは本発明での水素パージの流量を変えて１０サイクルエピタキシャル成長を実施した際のエピタキシャルシリコン膜厚を示したものである。水素パージを実施しないと従来技術で説明したように１サイクルあたり０.２〜０.３nm程度しか成長しないが、水素パージを実施することで１サイクルあたり約２nmの成長が得られることを示している。

また、ホットウォールで塩素ガスが分解されてしまうことで、均一性の悪化という問題も発生してしまう。つまり、塩素ガスは流れるに従って消費してしまうため、ガス導入部に近い領域ではエッチング速度が速く、導入口から遠い排気部分に近くなるに従って遅くなる。その分気相でほとんど塩素が分解されないコールドウォール式の成長装置と比較して均一性が悪くなってしまう。

発明者らの実験結果では塩素をN2で希釈することで均一性が大きく改善されることが判った。図５に示されるように、１０００sccm以上窒素を加えながら塩素を流すことにより、ガス導入口付近でエッチング速度が速く、排気部分でエッチング速度が遅い現象を大幅に軽減できる。これは窒素がキャリアとして拡散することでチャンバー内部の塩素ラジカルの分布を均一にする効果があるものとみられる。また、キャリアとなるガスは窒素だけではなく、アルゴンなどの不活性ガスであれば同種の効果が得られる。

また、サイクリックな成長を行う場合、１サイクルあたりに成長するシリコンの成長量を多くすることが生産性を向上させるためには肝要である。そして選択エピタキシャル成長において１サイクルあたりの成長量というのは実は選択性によって制限される。つまり、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜に完全にエピタキシャル成長が生じてしまうと、塩素によるエッチング残りが発生しやすく、残ったシリコンから急速にエピタキシャル成長が進んでしまう。１サイクルあたりのジシラン等のシリコン成長ガスを流すことができる時間は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜にシリコン膜の形成がはじまる時間より少なくしなければならない。発明者の実験結果ではホットウォール型の成長装置の場合、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜上に成長が開始される時間は面内で大きく異なることが判った。

図６に示すように、ガス導入部に近い領域では短時間で成長が開始される。つまり選択性が維持できる時間が短くなった。一方、排気に近い部分では選択性が維持できる時間は長かった。面内一様に選択性を維持するためには時間の短い方によって制限されるため、２０秒程度に抑えなければいけなかった。

発明者の実験結果によれば、ジシランにモノシランを加えることにより、選択性限界の時間の面相均一性が改善されることが判った。成長ガスを流すステップにおいてジシランとモノシランをほぼ同じ量程度混ぜて流すことにより、選択性の弱いガス導入部付近の選択性が維持できる時間が延びることが判った。そのため１サイクルあたりの成長ガスの照射時間を倍の４０秒まで延ばすことができる。

ジシラン単独の場合と比較して、ジシランとモノシランの混合ガスの方が選択性の維持できる時間が長い理由としてはジシランの分解過程においてSi2H6 → 2SiH3・というラジカルが形成され、それがシリコン窒化膜やシリコン酸化膜上の成長を促進させると見られるが、モノシランを導入することにより、モノシランガスがキャリアとなり、排気方向へ追い出されるものと考察される。

上記のようにジシランガスとモノシランガスを混合し成長ガスとして用いることで、成長速度を低下させずに１サイクルあたりの選択性を維持するのに可能な成長時間を延ばすことができ、実効的な生産性を向上することができる。

本発明の第１の実施の形態を説明する半導体製造装置の図である。本発明の第１の実施の形態である半導体装置の製造方法を説明する選択エピタキシャルシリコン成長の成長シーケンス図である。本発明の第２及び第３の実施の形態である半導体装置の製造方法を説明する選択エピタキシャルシリコン成長の成長シーケンス図である。本発明の第１の実施の形態の効果を説明する添加水素量を成長速度の関係を示す図である。本発明の第２の実施の形態の効果を説明する塩素ガスの希釈窒素量と均一性の関係を示す図である。本発明の第３の実施の形態第の効果を説明する各成長ガスと選択性が維持される時間の関係を示す図である。従来技術に係る半導体製造装置の図である。従来技術及び本発明を説明する半導体装置の製造フロー図である。従来技術及び本発明を説明する半導体装置の製造フロー図である。従来技術及び本発明を説明する半導体装置の製造フロー図である。従来技術の半導体装置の製造方法を説明する選択エピタキシャルシリコン成長の成長シーケンス図である。

符号の説明

１００シリコンウエハ
１０１チャンバー
１０２ａ，１０２ｂヒーター
１０３ウエハ支持台
１０４断熱材
１０５マニホールド
１０６ゲートバルブ
１０８マニホールド
１０９排気配管
１１０メインバルブ
１１１ターボ分子ポンプ
１１２メカニカルブースタポンプ

Claims

表面の少なくとも一部にシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜を有し、かつシリコン表面が露出したシリコン基板を有する半導体装置の製造方法において、
シリコン基板をチャンバー内に挿入し、
チャンバー内に、塩素を含むガスと、水素を含むガスと、シラン系のガスまたはゲルマン系のガスの少なくとも一方とを順次導入することにより、選択的にシリコン表面のみにエピタキシャル成長を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記塩素を含むガスを導入するときに、窒素ガス、ヘリウムガス及びアルゴンガスから成るグループの中から選ばれた少なくとも一つの不活性ガスを同時に導入することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記不活性ガスが５００〜１００００sccmであることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
同一のチャンバー内で、２枚以上の前記シリコン基板の処理を同時に行うバッチ式の装置でエピタキシャル成長を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
表面の少なくとも一部にシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜を有し、かつシリコン表面が露出したシリコン基板を有する半導体装置の製造方法において、
シリコン基板をチャンバ内に挿入し、
チャンバー内に、塩素を含むガスと、水素を含むガスと、ジシランとモノシランの混合ガスとを順次導入することにより、選択的にシリコン表面のみにエピタキシャル成長を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記ジシランガスとモノシランガスの混合比が１:５〜５:１であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
同一のチャンバーで、２枚以上の前記シリコン基板の処理を同時に行うバッチ式の装置でエピタキシャル成長を行うことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
表面の少なくとも一部にシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜が露出しているシリコン基板を有する半導体装置の製造方法において、
塩素を含むエッチング性のガスを流し、
真空引きを行い、
続いて水素を導入し、
真空引きを行い、
ジシランを含む成長ガスを流し、
真空引きを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
表面の少なくとも一部にシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜が露出しているシリコン基板を有する半導体装置の製造方法において、
塩素を含むエッチング性のガスを流し、
真空引きを行い、
続いて水素を導入し、
真空引きを行い、
ジシランとシランの混合ガスを成長ガスとして流し、
真空引きを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
表面の少なくとも一部にシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜が露出しているシリコン基板を有する半導体装置の製造方法において、
塩素を含むエッチング性のガスを流し、
真空引きを行い、
続いて水素を導入し、
真空引きを行い、
ジシランを含む成長ガスを流し、
真空引きを行い、
塩素を含むのエッチング性のガスに対して不活性ガスで希釈することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記不活性ガスは、窒素ガス、ヘリウムガス及びアルゴンガスから成るグループの中から選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
基板を処理する処理容器と、
処理容器内で基板を支持する支持具と、
処理容器内にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの少なくとも一方、塩素ガスもしくはフッ素ガス、水素系ガス及び窒素ガスを供給する供給手段と、
処理容器内の基板を加熱する加熱手段と、
表面に少なくともシリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜を有し、かつシリコン表面が露出したシリコン基板上にシリコン膜を成長させる際に、窒素ガスと塩素ガス、水素系ガス及びシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの少なくとも一方を順次供給するよう制御する制御手段とを有することを特徴とする半導体装置の製造装置。
同一のチャンバーで、２枚以上の前記シリコン基板の処理を同時に行うバッチ式の装置でエピタキシャル成長を行うことを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造装置。
請求項１２において、ホットウォールタイプの反応管を有し、半導体基板に対し横方向からガスを導入し、第１及び第２のポンプを切り替えて排気を行いながら、塩素を含むエッチング性のガス、水素ガス及びジシランを含む成長ガスを交互に流せる機構を有することを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項１２において、ホットウォールタイプの反応管を有し、半導体基板に対し横方向からガスを導入し、第１及び第２のポンプを切り替えて排気を行いながら、塩素を含むエッチング性のガス、水素ガス、ジシラン及びシランの混合ガスを交互に流せる機構を有することを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項１２において、ホットウォールタイプの反応管を有し、半導体基板に対し横方向からガスを導入し、第１及び第２のポンプを切り替えて排気を行いながら、不活性ガスで希釈した塩素を含むエッチング性のガス、水素ガス、ジシランを含む成長ガスを交互に流せる機構を有することを特徴とする半導体装置の製造装置。
前記不活性ガスは、窒素ガス、ヘリウムガス及びアルゴンガスから成るグループの中から選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置の製造装置。