JP2007056288A - 半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】室内の基板収容領域が略均等な高温雰囲気に設定された処理室で、シリコンのエピタキシャル膜を選択成長させることができる半導体デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】ウエハ２００収容領域が略均等な高温雰囲気に設定された処理室２０１内に、表面の少なくとも一部にシリコン層が形成されたウエハ２００を搬入し、処理室２０１内に少なくとも水素化物系のシリコンを含む原料ガスと水素ガスとを供給し、シリコン層の表面にエピタキシャル膜を成長させる第１の工程と、処理室内にエッチングガスを供給し、シリコン層以外の基板表面に堆積したシリコン化物を除去する第２の工程とを複数回繰り返して、シリコン層の表面に所望の厚さのエピタキシャル膜を選択成長させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は半導体デバイスの製造方法に関し、特に、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工程を備える半導体デバイスの製造方法に関する。

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。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、従来では、コールドウォール型の枚葉装置を用い、シラン系ガスと塩素ガスもしくはフッ素ガスとを交互に照射して選択シリコンエピタキシャル成長を行っていた。

同技術ではコールドウォール型の枚葉装置を用いて処理を行っているため、スループットが非常に悪く、ホットウォール型のバッチ式装置での処理が望まれている。

コールドウォール炉の場合は、ウエハ及びその周辺が主に加熱される空間になるためウエハ近傍にてガスの反応が起こるので、選択成長を極度に阻害する量の中間生成物は作られ難いと考えられ、そのため、従来の方法で選択成長が行えていた。

これに対して、ホットウォール炉の場合は、処理室全体が加熱された空間になっているため、処理室の雰囲気中において中間生成物が作られ易く、又その量も多いことから、ウエハ表面の成長させたくないシリコン窒化膜等への吸着量が増え、インキュベーション時間（堆積遅れ時間）が短くなり、選択性が悪くなってしまう。

さらに、ホットウォール炉でバッチ式の装置の場合には、処理室内の体積が大きく、処理するウエハの枚数が多い場合には、ウエハ面内および処理室内全ウエハにシラン系のガスを均等に供給するためにはある一定量以上のガスを導入する必要があり、処理室内の圧力が高くなる。そして、ホットウォール炉であり処理室全体が加熱された空間になっていることと相まって、気相反応がより一層起こり易くなり、化学的に活性な中間生成物が作られ、シリコン窒化膜などの絶縁物にも吸着が起こり、露出しているシリコン層のみに選択的にシリコン膜を成長させることは難しく、選択制がさらに悪くなってしまう。

従って、本発明の主な目的は、室内の基板収容領域が略均等な高温雰囲気に設定された処理室で、シリコンのエピタキシャル膜を選択成長させることができ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、
室内の基板収容領域が略均等な高温雰囲気に設定された処理室内に、表面の少なくとも一部にシリコン層が形成された基板を搬入する工程と、
前記処理室内に少なくとも水素化物系のシリコンを含む原料ガスと水素ガスとを供給し、前記シリコン層の表面にエピタキシャル膜を成長させる第１の工程と、
前記処理室内にエッチングガスを供給し、前記シリコン層以外の基板表面に堆積したシリコン化物を除去する第２の工程と、を有し、
少なくとも前記第１の工程と第２の工程とを複数回繰り返して、前記シリコン層の表面に所望の厚さのエピタキシャル膜を選択成長させ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。

本発明では、処理室内に少なくとも水素化物系のシリコンを含む原料ガスだけでなく、水素ガスをも併せて供給して、シリコン層の表面にエピタキシャル膜を成長させている。

水素化物系のガスは分解反応にてかならずＨ_２の生成が伴う。炉内に水素がある程度充満している場合、分解反応に伴うＨ_２の生成を抑えることができ、その結果、処理室の雰囲気中において中間生成物が作られにくくなり、ウエハ表面のシリコン窒化膜等への吸着量が減少し、インキュベーション時間（堆積遅れ時間）が長くなって、選択性をよくすることができるようになる。

本発明によれば、室内の基板収容領域が略均等な高温雰囲気に設定された処理室で、シリコンのエピタキシャル膜を選択成長させることができ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、かつシリコン表面も露出したシリコン基板を処理室内に挿入し、処理室内にシラン系のガスまたはゲルマン系ガスの少なくとも一方および水素ガスを導入する第１のステップと、塩素ガス、フッ素ガスもしくは塩化水素ガスを導入する第２のステップとを順に複数回繰り返す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。

このように、第１のステップにおいて、処理室内に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同時に水素ガスも導入することでシラン系もしくはゲルマン系ガスが気相中で反応するのを抑制しながらシリコン表面のみに選択的にシリコンエピタキシャル成長を行う。

また、第１のステップ内での水素ガスの導入はシリコンエピタキシャル成長時に発生するファセットを抑制する。このため、同技術を用いればバッチ式処理装置にてシラン系ガスもしくはゲルマン系ガスの少なくとも一方を用いた場合でも選択性を確保しつつ、ファセットを抑制しながらシリコン層上のみにシリコン膜を成長させることができる。

また、第２のステップにおいて、塩素ガス、フッ素ガスもしくは塩化水素ガスのみ導入して、シリコン窒化膜もしくはシリコン酸化膜上に付着したシリコン原子を除去している。

そして、このような第１のステップと第２のステップを順に複数回繰り返すことにより選択エピタキシャル成長を行う。

なお、シラン系ガスがモノシランであることが好ましい。

また、シラン系ガスとしてジシランも好ましく用いられる。

また、第２のステップと第１のステップとの間に水素ガスのみを導入することにより、第２のステップ時にシリコン表面に付着した塩素またはフッ素原子を取り除くことができ、これによりシリコン上への成長阻害を取り除くことができる。

また、塩素ガスフッ素ガスもしくは塩化水素ガスを導入するときに窒素ガスもしくはヘリウムガス、アルゴンガスなどの不活性ガスを同時に導入することが好ましい。この場合に、導入する不活性ガスの流量は、５００〜３００００ｓｃｃｍであることをが好ましい。

次に、本発明の好ましい実施例を図面を参照してさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の好ましい実施例における縦型ＣＶＤ装置を説明するための概略斜視図であり、図２は、本発明の好ましい実施例における縦型ＣＶＤ装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。

図１に示すように、筐体１０１内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取りつけられている。カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられ、カセット棚１０９はスライドステージ１２２上に横行可能に設けられている。又、カセット棚の上方にはカセット１００の載置手段としてのバッファカセット棚１１０が設けられている。更に、バッファカセット棚１１０の後側にはクリーンユニット１１８が設けられ、クリーンエアを筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。

筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられている。この処理炉２０２内には、ウエハ２００に所定の処理を行う処理室２０１が形成されている。処理炉２０２の下側には、気密室としてのロードロック室１０２が仕切弁としてのゲートバルブ２４４により連接され、ロードロック室１０２の前面にはカセット棚１０９と対向する位置に仕切手段としてのロードロックドア１２３が設けられている。ロードロック室１０２内には、基板としてのウエハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２１７を、処理室２０１とロードロック室１０２との間で昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が内設され、ボートエレベータ１２１には蓋体としてのシールキャップ２１９が取りつけられボート２１７を垂直に支持している。ロードロック室１０２とカセット棚１０９との間には図示しない昇降手段としての移載エレベータが設けられ、移載エレベータには搬送手段としてのウエハ移載機１１２が取りつけられている。

カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。

次に、本実施例の縦型ＣＶＤ装置の処理炉の詳細を図２を参照して説明する。
図２に示すように、処理炉２０２は、アウタチューブ２０５よりなる反応管と、ガス排気管２３１およびガス供給管２３２が接続されたマニホールド２０９と、マニホールド２０９の下端部（炉口１６１）を蓋し処理室２０１を密閉するシールキャップ２１９と、ウエハを多段に保持するウエハ保持体としてのボート２１７と、ボート２１７の回転機構１５６と、図示しないヒータ素線と断熱部材とを有しウエハ２００を加熱するヒータ２０７等から構成される。

アウタチューブ２０５、マニホールド２０９およびシールキャップ２１９等により処理室２０１を構成している。

この処理炉２０２の構成において、処理ガスは、第１のガス供給源１８０、第２のガス供給源１８１、第３のガス供給源１８２から供給され、ガス流量制御手段としてのＭＦＣ（マスフローコントローラ）１８３、ＭＦＣ１８４，ＭＦＣ１８５でその流量が調節された後、バルブ１７７、１７８、１７９をそれぞれ介してガス供給管２３２より処理室２０１の上部から導入される。なお、ガス供給管２３２は、マニホールド２０９を貫通し、アウタチューブ２０５内を処理室２０１の上部まで延在して設けられている。ガス供給管２３２にはバルブ１７６が設けられている。

マニホールド２０９には、ガス排気管２３１が連通して設けられている。ガス排気管２３１には排気バルブ１７５、排気システムとしての真空ポンプ２４６が設けられている。処理室２０１内の雰囲気はガス排気管２３１に接続された真空ポンプ２４６により、処理室２０１から排気される。

なお、ヒータ２０７、回転機構１５６、ＭＦＣ１８３、１８４、１８５、バルブ１７５、１７６、１７７、１７８、１７９、ロードロックドア１２３、ゲートバルブ２４４、真空ポンプ２４６等は制御装置１６２によって制御される。

次に、本発明の好ましい実施例として、上記縦型ＣＶＤ装置を用いたウエハ処理の一例を説明する。

図示しない外部搬送装置から搬送されたカセット１００は、カセットステージ１０５に載置され、カセットステージ１０５でカセット１００の姿勢を９０°変換され、更に、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及び、カセット移載機１１４の進退動作の協働によりカセット棚１０９又は、バッファカセット棚１１０に搬送される。

ウエハ移載機１１２によりカセット棚１０９からボート２１７へウエハ２００が移載される。ボート２１７へウエハ２００を移載する準備として、ボート２１７がボートエレベータ１２１により降下され、ゲートバルブ２４４により処理室２０１が閉塞され、更にロードロック室１０２の内部にパージノズル２３４から窒素ガスのパージガスが導入される。ロードロック室１０２が大気圧に復圧された後、ロードロックドア１２３が開かれる。

水平スライド機構１２２はカセット棚１０９を水平移動させ、移載の対象となるカセット１００をウエハ移載機１１２に対峙する様に位置決めする。ウエハ移載機１１２は昇降動作、回転動作の協働によりウエハ２００をカセット１００よりボート２１７へと移載する。ウエハ２００の移載はいくつかのカセット１００に対して行われ、ボート２１７へ所定枚数ウエハの移載が完了した後、ロードロックドア１２３が閉じられ、ロードロック室１０２が排気管（図示せず）を介して真空引きされる。

真空引き完了後にガスパージノズル２３４より窒素ガスが導入され、ロードロック室１０２内部が窒素ガスにより大気圧に復圧されるとゲートバルブ２４４が開かれ、昇降モータ１４８を駆動することによりボートエレベータ１２１によりボート２１７が処理室２０１内に挿入され、シールキャップ２１９により処理炉２０２の開口部である炉口１６１を閉塞することによって処理室２０１を閉塞する。なお、真空引き完了後にロードロック１０２内部を大気圧に復圧させず大気圧未満の状態でボート２１７を処理炉２０２内に装入しても良い。ロードロック室１０２は、ウエハ２００の処理が終了して再びボート２１７がロードロック室１０２に下降してくるまでは窒素ガスによりほぼ大気圧に保たれている。

次に、制御装置１６２からの命令により排気バルブ１７５を開けて、処理室２０１内の雰囲気を排気し、処理室２０１を減圧する。そして、制御装置１６２によりヒータ２０７を制御し、処理室２０１内の温度、ひいてはウエハ２００の温度を所望の温度に維持する。その後、制御装置１６２からの命令により、回転機構１５６が駆動され、ボート２１７を所定の回転数で回転する。

第１のガス供給源１８０、第２のガス供給源１８１、第３のガス供給源１８２には、処理ガスが封入されており、それぞれのガス供給源にはＭＦＣ１８３、ＭＦＣ１８４、ＭＦＣ１８５が設けられている。制御装置１６２からの命令で、ＭＦＣ１８３、ＭＦＣ１８４、ＭＦＣ１８５の開度が調節された後、ガス供給管を開閉するバルブ１７７、１７８、１７９が開かれる。そして、バルブ１７６を開き、処理ガスがガス供給管２３２を通じて、処理室２０１の上部から導入され、ウエハ２００を処理する。

処理炉２０２内でウェハ２００に所定の処理が為された後、ゲートバルブ２４４が開かれ、ボートエレベータ１２１によりボート２１７が引き出され、さらに、ロードロック室１０２内部を大気圧に復圧させた後にロードロックドア１２３が開かれる。

処理後のウェハ２００は上記した作動の逆の手順によりボート２１７からカセット棚１０９を経てカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により搬出される。

カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。

以下に、本実施例におけるウエハの処理例を説明する。本実施例におけるプロセスシーケンス例を図３に示す。

まず、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、かつシリコン層も露出したシリコンウエハ２００を処理室２０１内にロードする（ステップＳ１）。その後、処理炉２０２内の温度を所定の温度に設定する（ステップＳ２）。次に、処理室２０１内にモノシランガスおよび水素ガスを供給し、シリコン層の表面にエピタキシャル膜を成長させる（ステップＳ３）。次に、処理室２０１内に塩素ガス（もしくは塩化水素ガス）を供給する（ステップＳ４）。次に、処理室２０１内に水素ガスを供給する（ステップＳ５）。その後、ステップＳ３〜ステップＳ５を所定回数繰り返し、シリコン層上のみに選択的にエピタキシャル成長を行う。その後、ウエハ２００をアンロードする（ステップＳ６）。

本実施例において、好ましい条件としては、成長温度５００〜７００℃、圧力３００Ｐａ以下、モノシランガス流量１〜３００ｓｃｃｍ、塩素ガス（もしくは塩化水素ガス）流量１〜５００ｓｃｃｍ、窒素ガス流量０〜３００００ｓｃｃｍ、水素ガス流量１０〜５００００ｓｃｃｍが挙げられる。

表１に、枚葉ホットウォールタイプの装置で取得した第１のステップ時において、シラン系ガスと水素ガスを照射した時のシリコン窒化膜上におけるシリコン膜のインキュベーション時間を示す。モノシランガスおよびジシランガスを単独で流した場合にはインキュベーション時間は短くなり、モノシランガスに水素ガスを添加することにより、インキュベーション時間が長くなっていることがわかる。これは水素ガスを導入することにより気相中においてモノシランガスの分解を抑制し、シリコン窒化膜などへのシリコンの吸着を少なくしたためである。

尚、上記実施例では縦型ＣＶＤ装置を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、その他の基板処理装置、例えば枚葉ホットウォールタイプの装置にも適用することができる。また、選択成長させる膜はシリコン膜に限らず、シラン系のガスおよびゲルマン系ガスを流すことにより、シリコンゲルマ層を選択成長させることもできる。

本発明の好ましい実施例における縦型ＣＶＤ装置を説明するための概略斜視図である。 本発明の好ましい実施例における縦型ＣＶＤ装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例におけるウエハ処理のプロセスシーケンスの一例を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１００…カセット
１０１…筐体
１０２…ロードロック室
１０５…カセットステージ
１０９…カセット棚
１１０…バッファカセット棚
１１２…ウエハ移載機
１１４…カセット移載機
１１５…カセットエレベータ
１１８…クリーンユニット
１２１…ボートエレベータ
１２２…スライドステージ
１２３…ロードロックドア
１２４…搬送制御手段
１５６…回転機構
１６２…制御装置
１７５…排気バルブ
１７６、１７７、１７８、１７９…バルブ
１８３、１８４、１８５…ＭＦＣ
１８０…第１のガス供給源
１８１…第２のガス供給源
１８２…第３のガス供給源
２００…ウエハ
２０１…処理室
２０２…処理炉
２０５…アウターチューブ
２０７…ヒータ
２１７…ボート
２１９…シールキャップ
２３１…ガス排気管
２３２…ガス供給管
２４４…ゲートバルブ
２４６…排気システム

Claims (1)

1. 室内の基板収容領域が略均等な高温雰囲気に設定された処理室内に、表面の少なくとも一部にシリコン層が形成された基板を搬入する工程と、
   前記処理室内に少なくとも水素化物系のシリコンを含む原料ガスと水素ガスとを供給し、前記シリコン層の表面にエピタキシャル膜を成長させる第１の工程と、
   前記処理室内にエッチングガスを供給し、前記シリコン層以外の基板表面に堆積したシリコン化物を除去する第２の工程と、を有し、
   少なくとも前記第１の工程と第２の工程とを複数回繰り返して、前記シリコン層の表面に所望の厚さのエピタキシャル膜を選択成長させることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
   

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