JP2008088529A - 膜形成方法および膜形成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】シリコン基板Ｗの自然酸化膜を低温で除去することが可能であり、単結晶のＳｉＧｅ膜を成長させることが可能な、膜形成装置３を提供する。
【解決手段】シリコン基板Ｗ上の自然酸化膜を揮発性物質に変換するための三フッ化窒素ガス供給手段３５および水素ラジカル供給手段３０と、シリコン基板Ｗを加熱する手段と、を備えたエッチング室２０と、シリコン基板Ｗ上にＳｉＧｅ膜を成長させるための原料ガスの供給手段５０を備えたＳｉＧｅ成長室４０と、エッチング室２０からＳｉＧｅ成長室４０に対して、シリコン基板Ｗを管理雰囲気下で移送する基板移送室１６と、を有することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、膜形成方法および膜形成装置に関するものである。
集積回路素子等の半導体装置には、複数の薄膜トランジスタが形成されている。近時では、半導体装置の動作速度を向上させるため、薄膜トランジスタのソースおよびドレインを、シリコンおよびゲルマニウムの合成膜（以下「ＳｉＧｅ膜」という。）で構成する技術が開発されている。この場合には、不純物が拡散されたシリコン基板の表面に、ＳｉＧｅ膜を成長させることになる。
シリコン基板の表面が清浄で酸化膜等に覆われていなければ、下地のシリコン結晶面に揃ってＳｉＧｅ膜が配列するので、単結晶のＳｉＧｅ膜を得ることができる。しかしながら、活性なシリコン基板を大気中に曝すと、直ちにその表面に自然酸化膜が形成される。シリコン基板の表面に酸化膜が付着していると、析出膜の結晶方位が一方向に揃わずに、多結晶膜が生成される。さらにシリコン基板の温度が低いと、析出膜が結晶化せずにアモルファスになる。そのため、単結晶のＳｉＧｅ膜を成長させるには、シリコン基板上の自然酸化膜を除去する必要がある。
自然酸化膜を除去する方法として、現状では以下の２つの方法が利用されている。
第１の方法では、まずシリコン基板を真空処理容器内に挿入し、基板を１０００℃程度に加熱する。次に、水素ガスや水素ガスを含む混合ガスを処理室内に導入し、水素がシリコン酸化膜を還元する作用を利用して、シリコン基板表面の自然酸化膜を除去する（例えば、特許文献１参照）。
第２の方法では、シリコン基板を真空処理容器内に挿入し、基板を８００℃程度に加熱する。次に、フッ素を成分に含むガスやその混合ガスを処理室内に導入し、外部から高周波電力等のエネルギーを投入してガスを励起し、フッ素ラジカルを生成する。このフッ素ラジカルをシリコン酸化膜と反応させ、揮発性のフッ化シリコンを生成して除去する。
特開２００６−１５６８７５号公報
しかしながら、薄膜トランジスタのソースおよびドレインとなるＳｉＧｅ膜を形成する場合には、不純物が拡散されたシリコン基板表面の自然酸化膜を除去する必要がある。この場合、シリコン基板を８００℃以上に加熱すると、不純物の拡散プロファイルが崩れるという問題がある。そのため、基板を８００℃以上に加熱する上記第１および第２の方法を利用することは困難である。
なお、不純物が拡散されていないシリコン基板表面の自然酸化膜を除去する場合でも、基板を８００℃以上に加熱するとエネルギー消費量が増大する。なお、Ｇｅ濃度を高くして平坦な表面のＳｉＧｅ膜を得るためには、ＳｉＧｅ膜の成長温度を低くする必要がある。この場合には、シリコン基板を８００℃以上に加熱した後で、低温まで下げる必要があり、シリコン基板の温度調整に長時間を要することになる。
そこで本発明は、シリコン基板の自然酸化膜を低温で除去することが可能であり、単結晶のＳｉＧｅ膜を成長させることが可能な、膜形成方法および膜形成装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る膜形成方法は、シリコン基板の自然酸化膜を揮発性物質に変換する第１工程と、前記揮発性物質を蒸発させる第２工程と、前記自然酸化膜が除去された前記シリコン基板上にシリコンおよびゲルマニウムの合成膜を成長させる第３工程と、を有することを特徴とする。
この第１工程および第２工程によれば、シリコン基板上の自然酸化膜を低温で除去することができる。これにより、ＳｉＧｅ膜形成プロセスにおける最高温度を、ＳｉＧｅ膜の成長温度に留めることが可能になり、シリコン基板に対する熱影響を低減することができる。
また前記第１工程では、前記自然酸化膜をフッ化アンモニウムガスと反応させて、揮発性を有するケイフッ化アンモニウムに変換することが望ましい。
その前記第１工程は、前記シリコン基板を１００℃以下に保持して行えばよい。
この構成によれば、１００℃以下の室温で自然酸化膜を揮発性物質に変換することが可能になり、低温で自然酸化膜を除去することができる。
また前記第２工程は、前記シリコン基板を１００℃以上に加熱して行うことが望ましい。この構成によれば、揮発性物質の蒸発を促進することができる。
一方、本発明に係る膜形成装置は、シリコン基板上の自然酸化膜を揮発性物質に変換するための反応ガスの供給手段と、前記シリコン基板の加熱手段と、を備えた第１処理室と、前記シリコン基板上にシリコンおよびゲルマニウムの合成膜を成長させるための原料ガスの供給手段を備えた第２処理室と、前記第１処理室から前記第２処理室に対して、前記シリコン基板を管理雰囲気下で移送する基板移送室と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、シリコン基板上の自然酸化膜を低温で除去することができる。また、第１処理室において自然酸化膜が除去されたシリコン基板を、大気に曝すことなく第２処理室に移送することができるので、自然酸化膜が再形成されるのを防止することが可能になる。これにより、自然酸化膜が除去されたシリコン基板上にＳｉＧｅ膜を成長させることが可能になり、単結晶のＳｉＧｅ膜を得ることができる。
またシリコン基板上の自然酸化膜を揮発性物質に変換するための反応ガスの供給手段を備えた第１処理室と、前記シリコン基板の加熱手段を備えた第２処理室と、前記シリコン基板上にシリコンおよびゲルマニウムの合成膜を成長させるための原料ガスの供給手段を備えた第３処理室と、前記各処理室の間で、前記シリコン基板を管理雰囲気下で移送する基板移送室と、を有することを特徴とする。
この構成によっても、第１処理室および第２処理室において自然酸化膜が除去されたシリコン基板を、大気に曝すことなく第３処理室に移送することができるので、自然酸化膜が再形成されるのを防止することが可能になる。これにより、単結晶のＳｉＧｅ膜を得ることができる。
また、シリコン基板上の自然酸化膜を揮発性物質に変換するための反応ガスの供給手段と、前記シリコン基板の加熱手段と、前記シリコン基板上にシリコンおよびゲルマニウムの合成膜を成長させるための原料ガスの供給手段と、を備えた処理室を有することを特徴とする。
この構成によれば、自然酸化膜が除去されたシリコン基板を移送する必要がないので、自然酸化膜が再形成されるのを防止することが可能になる。これにより、単結晶のＳｉＧｅ膜を得ることができる。
また前記反応ガスの供給手段は、三フッ化窒素ガスの供給手段と、水素ラジカルの供給手段とを備えていることが望ましい。
この構成によれば、第１処理室内で三フッ化窒素ガスと水素ラジカルとが反応して、フッ化アンモニウムガスが生成される。さらに、自然酸化膜をフッ化アンモニウムガスと反応させて、揮発性を有するケイフッ化アンモニウムに変換することが可能になる。この場合、１００℃以下の室温で自然酸化膜を揮発性物質に変換することが可能になり、低温で自然酸化膜を除去することができる。
また前記加熱手段は、前記シリコン基板を１００℃以上に加熱しうるものであることが望ましい。
この構成によれば、揮発性物質の蒸発を促進することができる。
本発明によれば、低温で自然酸化膜を除去することができる。これにより、ＳｉＧｅ膜形成プロセスにおける最高温度を、ＳｉＧｅ膜の成長温度に留めることが可能になり、シリコン基板に対する熱影響を低減することができる。また、自然酸化膜が除去されたシリコン基板に、自然酸化膜が再形成されるのを防止しつつ、ＳｉＧｅ膜を成長させることが可能になる。したがって、単結晶のＳｉＧｅ膜を得ることができる。
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
最初に、本発明の第１実施形態について説明する。第１実施形態に係る膜形成方法は、シリコン基板の自然酸化膜を揮発性物質に変換する第１工程と、その揮発性物質を蒸発させる第２工程と、自然酸化膜が除去されたシリコン基板上にＳｉＧｅ膜を成長させる第３工程と、を有するものである。
（自然酸化膜除去装置）
第１実施形態に係る膜形成方法のうち、自然酸化膜を揮発性物質に変換する第１工程、およびその揮発性物質を蒸発させる第２工程は、図１に示す自然酸化膜除去装置を使用して行う。
図１に示す自然酸化膜除去装置１は、主にクリーンブース１０、ロードロック室１６およびエッチング室２０を備え、各室間にはゲートバルブ１５，１９が設けられている。クリーンブース１０には、基板移送ロボット１４が配置されている。この基板移送ロボット１４は、クリーンブース１０に配置されたウエハカセット１２と、ロードロック室１６に配置されたウエハボートＷＢとの間で、シリコン基板を移し替えるものである。ロードロック室１６には、ターボ分子ポンプ等の排気ポンプ１８が接続されている。この排気ポンプ１８により、ロードロック室１６を真空排気しうるようになっている。
エッチング室２０は、複数のシリコン基板Ｗをその厚さ方向に所定間隔を置いて搭載したウエハボートＷＢを搬入しうるように形成されている。このエッチング室２０にもターボ分子ポンプ等の排気ポンプ２６が接続され、その排気ポンプ２６によりエッチング室２０を真空排気しうるようになっている。エッチング室２０の外部または内部には、シリコン基板Ｗを加熱するヒータ（加熱手段）２４が配置されている。このヒータ２４は、シリコン基板Ｗを１００℃以上に加熱しうるものである。
エッチング室２０には、シリコン基板Ｗ上の自然酸化膜を揮発性物質に変換するための反応ガスの供給手段が設けられている。第１工程では、自然酸化膜をフッ化アンモニウムガスと反応させて、揮発性を有するケイフッ化アンモニウムに変換する。そのフッ化アンモニウムガスは、エッチング室２０内に三フッ化窒素ガスおよび水素ラジカルを導入して生成する。そこで反応ガスの供給手段として、三フッ化窒素（ＮＦ３）ガス供給手段３５および水素ラジカル供給手段３０が設けられている。三フッ化窒素ガス供給手段３５は、三フッ化窒素ガスの供給源３７および供給路３６を備えている。
水素ラジカル供給手段３０は、アンモニア（ＮＨ３）ガスを励起して水素ラジカルを発生させる。そのため水素ラジカル供給手段３０は、アンモニアガスおよびそのキャリアガスである窒素（Ｎ２）ガスの供給源３４を備えている。このガス供給源３４から延設されたガス供給路３３には、マイクロ波励起機構３２が設けられている。マイクロ波励起機構３２は、マイクロ波を照射してプラズマを発生させ、アンモニアガスを励起して水素ラジカルを発生させるものである。そのマイクロ波励起機構３２からエッチング室２０に対して、水素ラジカル供給路３１が延設されている。
図２は、エッチング室の概略構成図である。ウエハボートＷＢは、複数のシリコン基板Ｗの配列方向をエッチング室２０の高さ方向に一致させて、エッチング室２０内に搬入される。一方、エッチング室２０の高さ方向に所定間隔をおいて、一対の水素ラジカル供給路３１が連結されている。一対の水素ラジカル供給路３１は、エッチング室２０の高さ方向に延設された水素ラジカル導入ヘッド３１ａに接続されている。この水素ラジカル導入ヘッド３１ａに形成された複数の孔から、エッチング室２０の高さ方向に対して均等に、水素ラジカルを導入しうるようになっている。なおエッチング室２０の内壁面に、水素ラジカルの失活を防止するための処理（具体的には、アルマイト膜等のアルミニウム水和物からなる被膜によるコーティング）が施されていることが望ましい。これにより、エッチング室の内壁面と水素ラジカルとの相互反応を抑制して、水素ラジカルを安定して基板処理に費やすことが可能になり、基板の面内均一性を高めることができる。
一方、三フッ化窒素ガス供給路３６の先端部は、エッチング室２０の天井部から底部に向かって挿入されている。その先端部には、側面に複数の孔を備えたシャワーノズル３７が形成されている。このシャワーノズル３７から、エッチング室２０の高さ方向に対して均等に、三フッ化窒素ガスを導入しうるようになっている。このように導入された三フッ化窒素ガスおよび水素ラジカルが反応して、フッ化アンモニウム（ＮＨｘＦｙ）ガスが生成される。これにより、エッチング室２０の高さ方向に配列された複数のシリコン基板Ｗに対して均等に、フッ化アンモニウムガスを作用させることができるようになっている。
（第１工程、第２工程）
次に、第１実施形態に係る膜形成方法のうち、自然酸化膜を揮発性物質に変換する第１工程、およびその揮発性物質を蒸発させる第２工程につき、図１および図３を用いて説明する。図３は、第１工程および第２工程のフローチャートである。
まず、処理前の複数のシリコン基板Ｗを搭載したウエハカセット１２をクリーンブース１０に導入し、シリコン基板Ｗを搭載していないウエハボートＷＢをロードロック室１６に配置する。次に、ゲートバルブ１５を開いて基板移送ロボット１４を駆動し、ウエハカセット１２からウエハボートＷＢにシリコン基板Ｗを移し替える（Ｓ１０）。次に、ゲートバルブ１５を閉じて排気ポンプ１８を駆動し、ロードロック室１６を排気する（Ｓ１２）。なお、エッチング室２０は排気ポンプ２６により排気されている。次にゲートバルブ１９を開いて、ウエハボートＷＢをロードロック室１６からエッチング室２０に移送する（Ｓ１４）。
次に、エッチング室２０に反応ガスを導入し、シリコン基板Ｗの表面に形成された自然酸化膜を揮発性物質に変換する（第１工程；Ｓ１６）。具体的には、三フッ化窒素ガス供給手段３５により三フッ化窒素ガスを導入し、水素ラジカル供給手段３０により水素ラジカルを導入する。水素ラジカル供給手段３０では、ガス供給源３４からアンモニアガスを供給し、マイクロ波励起機構３２においてマイクロ波を照射する。これにより、次式のようにアンモニアガスを励起して、水素ラジカル（Ｈ＊）を発生させる。
ＮＨ３→ＮＨ２＋Ｈ＊ ・・・（１）
エッチング室２０では、導入された三フッ化窒素ガスおよび水素ラジカルが反応して、次式のようにフッ化アンモニウム（ＮＨｘＦｙ）ガスが生成される。
Ｈ＊＋ＮＦ３→ＮＨｘＦｙ（ＮＨ４Ｆ、ＮＨ４ＦＨ、ＮＨ４ＦＨＦ等） ・・・（２）
生成されたフッ化アンモニウムガスが、シリコン基板Ｗの表面に形成された自然酸化膜に作用して、次式のように揮発性を有するケイフッ化アンモニウム（（ＮＨ４）２ＳｉＦ６）が生成される。
ＳｉＯ２＋ＮＨｘＦｙ→（ＮＨ４）２ＳｉＦ６＋Ｈ２Ｏ ・・・（３）
化学式（３）で表されるケイフッ化アンモニウムの生成反応は、室温（２５℃程度）で進行する。なおシリコン基板の温度が高いと、かえってケイフッ化アンモニウムの生成反応が進行しにくくなる。そのため第１工程は、シリコン基板Ｗを１００℃以下に保持して行うことが望ましい。これにより、ケイフッ化アンモニウムを効率的に生成することができる。
その後、反応ガスの供給およびマイクロ波の照射を停止し、排気ポンプ２６によりエッチング室２０を排気する（Ｓ１８）。
次に、ヒータ２４を駆動してシリコン基板Ｗを加熱し、シリコン基板Ｗ上に生成された揮発性物質を蒸発させる（第２工程；Ｓ２０）。この第２工程では、シリコン基板を１００℃以上に、好ましくは２００〜２５０℃に加熱する。これにより、揮発性物質であるケイフッ化アンモニウムを効率的に蒸発させることができる。
その後、ヒータを停止する（Ｓ２２）。次にゲートバルブ１９を開いて、ウエハボートＷＢをロードロック室１６に移送する（Ｓ２４）。次にゲートバルブ１５を開いて、処理後のシリコン基板ＷをウエハボートＷＢからウエハカセット１２に移し替える（Ｓ２６）。
（ＳｉＧｅ成長装置）
第１実施形態に係る膜形成方法のうち、シリコン基板上にＳｉＧｅ膜を成長させる第３工程は、図４に示すＳｉＧｅ成長装置を使用して行う。
図４に示すＳｉＧｅ成長装置２は、主にクリーンブース１０、ロードロック室１６およびＳｉＧｅ成長室４０を備え、各室間にはゲートバルブ１５，３９が設けられている。なおクリーンブース１０およびロードロック室１６は、上述した自然酸化膜除去装置と同様に構成されている。
ＳｉＧｅ成長室４０は、複数のシリコン基板Ｗをその厚さ方向に所定間隔を置いて搭載したウエハボートＷＢを搬入しうるように形成されている。このＳｉＧｅ成長室４０にもターボ分子ポンプ等の排気ポンプ４６が接続され、その排気ポンプ４６によりＳｉＧｅ成長室４０を真空排気しうるようになっている。ＳｉＧｅ成長室４０の外部または内部には、シリコン基板Ｗを加熱するヒータ（加熱手段）４４が配置されている。
ＳｉＧｅ成長室４０には、シリコン基板上にシリコンおよびゲルマニウムの合成膜を成長させるための原料ガスの供給手段５０が設けられている。原料ガスの供給手段５０は、原料ガスである水素（Ｈ２）ガス、シラン（ＳｉＨ４）ガスおよびゲルマン（ＧｅＨ４）ガスの供給源５２と、これらガスの供給路５１とを備えている。
（第３工程）
次に、第１実施形態に係る膜形成方法のうち、シリコン基板上にＳｉＧｅ膜を成長させる第３工程につき、図４および図５を用いて説明する。図５は、第３工程のフローチャートである。
まず、シリコン基板Ｗをウエハカセット１２からウエハボートＷＢに移し替える（Ｓ３０）。次にロードロック室１６を排気し（Ｓ３２）、ウエハボートＷＢをロードロック室１６からＳｉＧｅ成長室４０に移送する（Ｓ３４）。
次にヒータ４４を駆動して、シリコン基板Ｗを４５０（〜７００）℃に加熱する（Ｓ３６）。次に、ＳｉＧｅ成長室４０に原料ガスを導入し、ＳｉＧｅ膜の成長を行う（第３工程；Ｓ３８）。具体的には、原料ガスの供給手段５０により水素ガス、シランガスおよびゲルマンガスを導入する。これらの原料ガスは、次式のように熱分解される。
ＳｉＨ４→Ｓｉ＋２Ｈ２ ・・・（４）
ＧｅＨ４→Ｇｅ＋２Ｈ２ ・・・（５）
このように、ＳｉおよびＧｅが同時に析出するので、シリコン基板Ｗ上にＳｉＧｅ合金膜が形成される。なおシリコン基板Ｗの表面から自然酸化膜が除去されているので、ＳｉＧｅ膜は下地のシリコン結晶面に揃って配列し、単結晶のＳｉＧｅ膜が得られる。
その後、ヒータを停止し（Ｓ４０）、原料ガスの供給を停止して、ＳｉＧｅ成長室４０を排気する（Ｓ４２）。次に、ウエハボートＷＢをロードロック室１６に移送し（Ｓ４４）、ウエハボートＷＢからウエハカセット１２にシリコン基板Ｗを移し替える（Ｓ４６）。以上により、ＳｉＧｅ膜が形成されたシリコン基板Ｗが得られる。
以上に詳述したように、本実施形態に係る膜形成方法では、シリコン基板上にＳｉＧｅ膜を成長させる第３工程の前に、シリコン基板の自然酸化膜を揮発性物質に変換する第１工程と、その揮発性物質を蒸発させる第２工程とを有する構成とした。この第１工程および第２工程によれば、シリコン基板上の自然酸化膜を低温で除去することができる。これにより、ＳｉＧｅ膜形成プロセスにおける最高温度を、ＳｉＧｅ膜の成長温度に留めることが可能になり、シリコン基板に対する熱影響を低減することができる。これに伴って、シリコン基板を加熱するためのエネルギー消費量を低減することが可能になる。また、第１工程から第３工程にかけて順にシリコン基板の温度を上昇させるので、シリコン基板の温度調整に要する時間を短縮することが可能になる。したがって、膜形成コストを低減することができる。
（第２実施形態、膜形成装置）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図６は、第２実施形態に係る膜形成装置の概略構成図である。上述した第１実施形態では、エッチング室を備えた自然酸化膜除去装置と、ＳｉＧｅ成長室を備えたＳｉＧｅ成長装置とを個別に使用したが、第２実施形態に係る膜形成装置３は、エッチング室（第１処理室）２０およびＳｉＧｅ成長室（第２処理室）４０を併有し、さらにエッチング室２０からＳｉＧｅ成長室４０に対してシリコン基板Ｗを管理雰囲気下で移送する基板移送室１６を備えている。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。
膜形成装置３は、クリーンブース１０およびロードロック室１６に加えて、エッチング室２０およびＳｉＧｅ成長室４０を備えている。エッチング室２０は、第１実施形態と同様に、シリコン基板Ｗ上の自然酸化膜を揮発性物質に変換するための反応ガスの供給手段（三フッ化窒素ガス供給手段３５および水素ラジカル供給手段３０）と、シリコン基板Ｗを加熱するヒータ２４とを備えている。一方のＳｉＧｅ成長室４０も、第１実施形態と同様に、シリコン基板Ｗ上にＳｉＧｅ膜を成長させるための原料ガス（水素ガス、シランガスおよびゲルマンガス）の供給手段５０を備えている。なおエッチング室２０に排気ポンプ２６が接続され、ＳｉＧｅ成長室４０に排気ポンプ４６が接続されているのも、第１実施形態と同様である。
エッチング室２０およびＳｉＧｅ成長室４０は、それぞれゲートバルブ１９，３９を介して、共通のロードロック室１６に接続されている。ロードロック室１６は、ゲートバルブ１５，１９，３９および排気ポンプ１８を備え、内部雰囲気を管理しうるようになっている。そのためロードロック室１６は、エッチング室２０とＳｉＧｅ成長室４０との間で、シリコン基板Ｗを管理雰囲気下で移送する基板移送室として機能する。
（膜形成方法）
次に、第２実施形態に係る膜形成装置３を使用した膜形成方法につき、図６および図７を用いて説明する。図７は、第２実施形態に係る膜形成方法のフローチャートである。
まず、クリーンブース１０に配置されたウエハカセット１２から、ロードロック室に配置されたウエハボートＷＢに、シリコン基板Ｗを移し替える（Ｓ１０）。次に、ロードロック室１６を排気し（Ｓ１２）、ウエハボートＷＢをロードロック室１６からエッチング室２０に移送する（Ｓ１４）。
次に、エッチング室に反応ガスを導入し、シリコン基板Ｗの表面に形成された自然酸化膜を揮発性物質に変換する（第１工程；Ｓ１６）。具体的には、三フッ化窒素ガス供給手段３５により三フッ化窒素ガスを導入し、水素ラジカル供給手段３０により水素ラジカルを導入する。水素ラジカル供給手段３０では、ガス供給源３４からアンモニアガスを供給し、マイクロ波励起機構３２においてマイクロ波を照射して、アンモニアガスを励起し水素ラジカルを発生させる。エッチング室２０では、導入された三フッ化窒素ガスおよび水素ラジカルが反応して、フッ化アンモニウムガスが生成される。そのフッ化アンモニウムガスが、シリコン基板Ｗの表面の自然酸化膜に作用して、揮発性を有するケイフッ化アンモニウムが生成される。
その後、反応ガスの供給およびマイクロ波の照射を停止し、排気ポンプ２６によりエッチング室２０を排気する（Ｓ１８）。
次に、ヒータ２４を駆動してシリコン基板Ｗを加熱し、シリコン基板Ｗ上に生成された揮発性物質を蒸発させる（第２工程；Ｓ２０）。この第２工程では、シリコン基板を１００℃以上に、好ましくは２００〜２５０℃に加熱して、揮発性物質であるケイフッ化アンモニウムを蒸発させる。ただし後述するように、ＳｉＧｅ成長室４０においてシリコン基板Ｗを５００℃以上に加熱する工程（Ｓ３６）において、シリコン基板上に生成された揮発性物質を蒸発させることも可能である。したがってＳ２０の実施を省略することも可能であり、この場合にはエッチング室２０にヒータ２４を設ける必要もない。
次にゲートバルブ１９を開いて、ウエハボートＷＢをロードロック室１６に移送する（Ｓ２４）。次にゲートバルブ１９を閉じ、ゲートバルブ３９を開いて、ウエハボートＷＢをＳｉＧｅ成長室４０に移送する（Ｓ３４）。その際、ロードロック室１６は排気ポンプ１８により排気され管理雰囲気（真空状態）に保持されているので、シリコン基板Ｗの表面に自然酸化膜が再形成されることはない。したがって、自然酸化膜に覆われていないシリコン基板をＳｉＧｅ成長室４０に搬入することができる。
次に、ＳｉＧｅ成長室４０のヒータ４４を駆動して、シリコン基板Ｗを５００（〜７００）℃に加熱する（Ｓ３６）。なお、エッチング室２０におけるシリコン基板Ｗの加熱工程（Ｓ２０）を省略した場合には、このＳ３６でシリコン基板Ｗ上に生成された揮発性物質を蒸発させる（第２工程）。次に、ＳｉＧｅ成長室４０に原料ガスを導入し、ＳｉＧｅ膜の成長を行う（第３工程；Ｓ３８）。具体的には、原料ガスの供給手段５０により水素ガス、シランガスおよびゲルマンガスを導入する。これらの原料ガスは熱分解され、ＳｉおよびＧｅが同時に析出して、シリコン基板Ｗ上にＳｉＧｅ合金膜が形成される。
その後、ヒータを停止し（Ｓ４０）、原料ガスの供給を停止して、ＳｉＧｅ成長室４０を排気する（Ｓ４２）。続けて、ウエハボートＷＢをロードロック室１６に移送し（Ｓ４４）、ウエハボートＷＢからウエハカセット１２にシリコン基板Ｗを移し替える（Ｓ４６）。以上により、ＳｉＧｅ膜が形成されたシリコン基板Ｗが得られる。
以上に詳述した第２実施形態では、第１実施形態と同様に、シリコン基板上の自然酸化膜を低温で除去することができる。
これに加えて、第２実施形態に係る膜形成装置は、自然酸化膜を除去するエッチング室２０およびＳｉＧｅ成長室４０を併有し、さらにエッチング室２０からＳｉＧｅ成長室４０に対してシリコン基板Ｗを管理雰囲気下で移送する基板移送室１６を備えている。この構成によれば、エッチング室２０において自然酸化膜が除去されたシリコン基板Ｗを、大気に曝すことなくＳｉＧｅ成長室４０に移送することができるので、自然酸化膜が再形成されるのを防止することが可能になる。これにより、自然酸化膜が除去されたシリコン基板Ｗ上にＳｉＧｅ膜を成長させることが可能になり、単結晶のＳｉＧｅ膜を得ることができる。
また、エッチング室２０およびＳｉＧｅ成長室４０を併有しているので、シリコン基板の移送時間を短縮することが可能になり、第１工程から第３工程までを連続して実施することが可能になる。したがって、膜形成時間を短縮することができる。さらに、エッチング室２０およびＳｉＧｅ成長室４０について、クリーンブース１０およびロードロック室１６を共用することが可能になり、設備コストを低減することができる。
なお第２実施形態に係る膜形成装置３は、シリコン基板Ｗ上の自然酸化膜を揮発性物質に変換する反応ガスの供給手段３０，３５と、シリコン基板Ｗを加熱するヒータ２４とを共に備えたエッチング室２０を有していた。そのエッチング室２０では、自然酸化膜を揮発性物質に変換する第１工程と、揮発性物質を蒸発させる第２工程とを連続して行うことが可能であった。この膜形成装置３に代えて、反応ガスの供給手段を備えた第１エッチング室と、シリコン基板を加熱するヒータを備えた第２エッチング室とが、共通のロードロック室に接続された膜形成装置を採用してもよい。この膜形成装置では、第１エッチング室において第１工程を行い、第２エッチング室において第２工程を行うことになる。
（第１変形例）
図８は、第２実施形態の第１変形例に係る膜形成装置の概略構成図である。第２実施形態では、反応ガスの供給手段およびヒータを備えたエッチング室を使用したが、この第１変形例に係る膜形成装置では、反応ガスの供給手段を備えた第１エッチング室２０ａと、ヒータを備えた第２エッチング室２０ｂとを有する点で相違している。なお第１実施形態または第２実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。
この第１変形例に係る膜形成装置４は、クリーンブース１０およびロードロック室１６に加えて、第１エッチング室（第１処理室）２０ａ、第２エッチング室（第２処理室）２０ｂおよびＳｉＧｅ成長室（第３処理室）４０を有している。第１エッチング室２０ａは、シリコン基板Ｗ上の自然酸化膜を揮発性物質に変換するための反応ガスの供給手段（三フッ化窒素ガス供給手段３５および水素ラジカル供給手段３０）を備えている。また第２エッチング室２０ｂは、シリコン基板Ｗを加熱するヒータ２４を備えている。なお第１エッチング室２０ａには排気ポンプ２６ａが接続され、第２エッチング室２０ｂには排気ポンプ２６ｂが接続されている。一方、ＳｉＧｅ成長室４０は、第１実施形態と同様に構成されている。
第１エッチング室２０ａ、第２エッチング室２０ｂおよびＳｉＧｅ成長室４０は、それぞれゲートバルブ１９ａ，１９ｂ，３９を介して、共通のロードロック室１６に接続されている。ロードロック室１６は、ゲートバルブ１５，１９ａ，１９ｂ，３９および排気ポンプ１８を備え、内部雰囲気を管理しうるようになっている。そのためロードロック室１６は、第１エッチング室２０ａ、第２エッチング室２０ｂおよびＳｉＧｅ成長室４０の間で、シリコン基板Ｗを管理雰囲気下で移送する基板移送室として機能する。
この第１変形例では、まず第１エッチング室２０ａにおいて、シリコン基板Ｗの自然酸化膜を揮発性物質に変換する第１工程を行う。次に管理雰囲気（真空状態）に保持された基板移送室１６を介して、第１エッチング室２０ａから第２エッチング室２０ｂにシリコン基板Ｗを移送する。次に第２エッチング室２０ｂにおいて、揮発性物質を蒸発させる第２工程を実施する。次に管理雰囲気（真空状態）に保持された基板移送室１６を介して、第２エッチング室２０ｂからＳｉＧｅ成長室４０にシリコン基板Ｗを移送する。次にＳｉＧｅ成長室４０において、シリコン基板Ｗ上にＳｉＧｅ膜を成長させる第３工程を実施する。
この第１変形例によれば、第１エッチング室２０ａおよび第２エッチング室２０ｂにおいて自然酸化膜が除去されたシリコン基板Ｗを、大気に曝すことなくＳｉＧｅ成長室４０に移送することができるので、第２実施形態と同様に自然酸化膜が再形成されるのを防止することが可能になる。これにより、自然酸化膜が除去されたシリコン基板Ｗ上にＳｉＧｅ膜を成長させることが可能になり、単結晶のＳｉＧｅ膜を得ることができる。
（第２変形例）
図９は、第２実施形態の第２変形例に係る膜形成装置の概略構成図である。第２実施形態ではエッチング室およびＳｉＧｅ成長室を併有していたが、この第２変形例では１個の処理室６０がエッチング室およびＳｉＧｅ成長室として機能する。なお第１実施形態または第２実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。
この第２変形例に係る膜形成装置５は、クリーンブース１０およびロードロック室１６に加えて、処理室６０を備えている。この処理室６０はゲートバルブ５９を介してロードロック室１６に接続されている。また処理室６０には排気ポンプ６６が接続されている。
この処理室６０は、第１および第２実施形態と同様に、シリコン基板Ｗ上の自然酸化膜を揮発性物質に変換するための反応ガスの供給手段（三フッ化窒素ガス供給手段３５および水素ラジカル供給手段３０）と、シリコン基板Ｗを加熱するヒータ６４とを備えている。これにより処理室６０は、第１および第２実施形態のエッチング室と同様の機能を有している。また処理室６０は、第１および第２実施形態と同様に、シリコン基板Ｗ上にＳｉＧｅ膜を成長させるための原料ガス（水素ガス、シランガスおよびゲルマンガス）の供給手段５０を備えている。これにより処理室６０は、第１および第２実施形態のＳｉＧｅ成長室と同様の機能を有している。
この第２変形例では、処理室６０において、まずシリコン基板Ｗの自然酸化膜を揮発性物質に変換する第１工程と、その揮発性物質を蒸発させる第２工程とを実施する。これに連続して、処理室６０にシリコン基板Ｗを保持した状態で、シリコン基板Ｗ上にＳｉＧｅ膜を成長させる第３工程を実施する。
この第２変形例によれば、自然酸化膜が除去されたシリコン基板Ｗを移送する必要がないので、第２実施形態と同様に、自然酸化膜が再形成されるのを防止することが可能になる。これにより、自然酸化膜が除去されたシリコン基板Ｗ上にＳｉＧｅ膜を成長させることが可能になり、単結晶のＳｉＧｅ膜を得ることができる。
これに加えて第２変形例では、シリコン基板Ｗを移送する必要がないので、第１工程から第３工程までを連続して実施することが可能になる。したがって、膜形成時間を短縮することができる。また第２変形例では、第２実施形態においてエッチング室およびＳｉＧｅ成長室にそれぞれ設けられていたチャンバ、ヒータ、排気ポンプおよびゲートバルブを削減することが可能になり、設備コストを低減することができる。
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、実施形態では反応ガスとして三フッ化窒素ガスおよび水素ラジカルを供給したが、これら以外のガスを供給してもよい。また、実施形態ではアンモニアガスを励起して水素ラジカルを生成したが、アンモニアガス以外のガスを励起してもよい。また、実施形態ではアンモニアガスにマイクロ波を照射して励起したが、これ以外の方法で励起してもよい。また、実施形態では原料ガスとしてシランガスおよびゲルマンガスを供給したが、これら以外のガスを供給してもよい。
次に、上述した第１実施形態に対応する実施例１について説明する。
図１に示す自然酸化膜除去装置１のエッチング室２０にシリコン基板Ｗを搬入した。そのエッチング室２０に、アンモニアガス、窒素ガスおよび三フッ化窒素ガスを、混合比が１：２：２、合計流量が１０リットル／分となるように導入し、エッチング室２０の圧力を３００Ｐａに保持した。なおアンモニアガスおよび窒素ガスに対しては、マイクロ波を２ｋＷで１０分間照射した。その後、エッチング室２０のガスを排気して、シリコン基板Ｗを２００℃に加熱し１０分間保持した。
次に、図４に示すＳｉＧｅ成長装置２のＳｉＧｅ成長室４０にシリコン基板Ｗを搬入した。そのＳｉＧｅ成長室４０で、シリコン基板Ｗを４５０℃に加熱した。次に、シランガスを１００ｃｃ／分で、ゲルマンガスを３０ｃｃ／分で、水素ガスを３００ｃｃ／分で供給し、これらの混合ガスをＳｉＧｅ成長室４０に３０分間導入した。
これにより、シリコン基板Ｗ上には、シリコン基板と同じ（１００）に配向したＳｉＧｅ単結晶膜が形成された。その膜厚は５０ｎｍであり、ゲルマニウムの濃度は４５％であった。
次に、上述した第２実施形態に対応する実施例２について説明する。
図６に示す膜形成装置３のエッチング室２０にシリコン基板Ｗを搬入した。そのエッチング室２０に、アンモニアガス、窒素ガスおよび三フッ化窒素ガスを、混合比が１：２：２、合計流量が１０リットル／分となるように導入し、エッチング室２０の圧力を３００Ｐａに保持した。なおアンモニアガスおよび窒素ガスに対しては、マイクロ波を２ｋＷで１０分間照射した。
次に、エッチング室２０からＳｉＧｅ成長室４０にシリコン基板Ｗを移送した。そのＳｉＧｅ成長室４０で、シリコン基板Ｗを５００℃に加熱した。次に、シランガスを１００ｃｃ／分で、ゲルマンガスを１５ｃｃ／分で、水素ガスを１５０ｃｃ／分で供給し、これらの混合ガスをＳｉＧｅ成長室４０に３０分間導入した。
これにより、シリコン基板Ｗ上には、シリコン基板と同じ（１００）に配向したＳｉＧｅ単結晶膜が形成された。その膜厚は９０ｎｍであり、ゲルマニウムの濃度は２５％であった。
自然酸化膜除去装置の概略構成図である。 エッチング室の概略構成図である。 膜形成方法の第１工程および第２工程のフローチャートである。 ＳｉＧｅ成長装置の概略構成図である。 膜形成方法の第３工程のフローチャートである。 第２実施形態に係る膜形成装置の概略構成図である。 膜形成方法のフローチャートである。 第２実施形態の第１変形例に係る膜形成装置の概略構成図である。 第２実施形態の第２変形例に係る膜形成装置の概略構成図である。
符号の説明
Ｗ…シリコン基板 ３…膜形成装置 ４…膜形成装置 １６…基板移送室 ２０…エッチング室（第１処理室） ２０ａ…第１エッチング室（第１処理室） ２０ｂ…第２エッチング室（第２処理室） ２４…ヒータ（加熱手段） ３０…水素ラジカル供給手段（反応ガスの供給手段） ３５…三フッ化窒素ガス供給手段（反応ガスの供給手段） ４０…ＳｉＧｅ成長室（第２処理室） ５０…原料ガスの供給手段 ６０…処理室

Claims (9)

  1. シリコン基板の自然酸化膜を揮発性物質に変換する第１工程と、前記揮発性物質を蒸発させる第２工程と、前記自然酸化膜が除去された前記シリコン基板上にシリコンおよびゲルマニウムの合成膜を成長させる第３工程と、を有することを特徴とする膜形成方法。
  2. 前記第１工程では、前記自然酸化膜をフッ化アンモニウムガスと反応させて、揮発性を有するケイフッ化アンモニウムに変換することを特徴とする請求項１に記載の膜形成方法。
  3. 前記第１工程は、前記シリコン基板を１００℃以下に保持して行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膜形成方法。
  4. 前記第２工程は、前記シリコン基板を１００℃以上に加熱して行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の膜形成方法。
  5. シリコン基板上の自然酸化膜を揮発性物質に変換するための反応ガスの供給手段と、前記シリコン基板の加熱手段と、を備えた第１処理室と、
    前記シリコン基板上にシリコンおよびゲルマニウムの合成膜を成長させるための原料ガスの供給手段を備えた第２処理室と、
    前記各処理室の間で、前記シリコン基板を管理雰囲気下で移送する基板移送室と、を有することを特徴とする膜形成装置。
  6. シリコン基板上の自然酸化膜を揮発性物質に変換するための反応ガスの供給手段を備えた第１処理室と、
    前記シリコン基板の加熱手段を備えた第２処理室と、
    前記シリコン基板上にシリコンおよびゲルマニウムの合成膜を成長させるための原料ガスの供給手段を備えた第３処理室と、
    前記各処理室の間で、前記シリコン基板を管理雰囲気下で移送する基板移送室と、を有することを特徴とする膜形成装置。
  7. シリコン基板上の自然酸化膜を揮発性物質に変換するための反応ガスの供給手段と、前記シリコン基板の加熱手段と、前記シリコン基板上にシリコンおよびゲルマニウムの合成膜を成長させるための原料ガスの供給手段と、を備えた処理室を有することを特徴とする膜形成装置。
  8. 前記反応ガスの供給手段は、三フッ化窒素ガスの供給手段と、水素ラジカルの供給手段とを備えていることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の膜形成装置。
  9. 前記加熱手段は、前記シリコン基板を１００℃以上に加熱しうるものであることを特徴とする請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載の膜形成装置。
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