JP2009088305A

JP2009088305A - 半導体デバイスの製造方法

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Publication number: JP2009088305A
Application number: JP2007257040A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Inokuchi; 泰啓井ノ口; Atsushi Moriya; 敦森谷
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2009-04-23

Abstract

【課題】下地（Ｎ＋）へのエッチングを防ぎ、且つ比較的速い成膜レートで成膜す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】シリコン基板を処理室内に搬入する第一のステップと、第一の温度に前記シリコン基板を加熱しつつ、前記処理室内に少なくとも第一のシラン系ガスと第一のエッチングガスを供給する第二のステップと、前記第一の温度から第二の温度へ変更する第三のステップと、第一の温度と異なる温度である前記第二の温度に前記シリコン基板を加熱しつつ、前記処理室内に少なくとも第二のシラン系ガスと第二のエッチングガスを供給する第四のステップとを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、基板表面への成膜において、第一層目と第二層目で異なる成膜ガス及びエッチングガスを使用することにより下地（Ｎ＋）へのエッチングを防ぎ、且つ比較的高い成膜レートで成膜することができる半導体デバイスの製造方法に関するものである。

半導体デバイスの製造において、シリコン基板上にシリコンやシリコンゲルマニウム等の膜を成長させる場合、従来は成膜ガスとしてＳｉＨ₄を用いて、エッチングガスとしてＳｉＨ₄と相性が良いＣｌ₂を用いるプロセスが知られている。また、成膜ガスとしてＳｉＨ₂Ｃｌ₂を用いてＨＣｌをエッチングガスとして用いるプロセスが知られている。ＳｉＨ₄とＳｉＨ₂Ｃｌ₂を成膜ガスとして比較するとＳｉＨ₄による成膜はＳｉＨ₂Ｃｌ₂による成膜よりも成膜レートが高く、さらに成膜温度が低くできることで熱ダメージを低減することができるという利点がある。

しかしながら、Ｃｌ₂をエッチングガスとして用いると基板の下地（Ｎ＋）までエッチングされてしまうという問題がある。また、下地へのエッチングを避けてＨＣｌをエッチングガスとして用いるプロセスにおいてはガスの相性の問題から成膜ガスとしてＳｉＨ₂Ｃｌ₂を用いる必要があり、Ｃｌ₂をエッチングガスとして用いるプロセスにおいてはＨＣｌをエッチングガスとして用いるプロセスと同様にガスの相性の問題からＳｉＨ₄を成膜ガスとして用いる必要があり、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂による成膜処理はＳｉＨ₄による成膜処理に比べて成膜レートが低いという問題がある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、下地（Ｎ＋）へのエッチングを防ぎ、且つ比較的高い成膜レートで成膜す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を目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る半導体デバイスの製造方法は、シリコン基板を処理室内に搬入する第一のステップと、第一の温度に前記シリコン基板を加熱しつつ、前記処理室内に少なくとも第一のシラン系ガスと第一のエッチングガスを供給する第二のステップと、前記第一の温度から第二の温度へ変更する第三のステップと、前記第二の温度に前記シリコン基板を加熱しつつ、前記処理室内に少なくとも第二のシラン系ガスと第二のエッチングガスを供給する第四のステップとを有し、前記第一の温度と前記第二の温度は異なることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体デバイスの製造方法は、前記第三のステップにおいて、前記第二のステップで用いた第一のシラン系ガスと第一のエッチングガスのうち少なくとも前記第一のシラン系ガスを供給し続けることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体デバイスの製造方法において、前記第一の温度は、前記第二の温度よりも高いことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体デバイスの製造方法において、第一のシラン系ガスはＳｉＨ₂Ｃｌ₂であり、第一のエッチングガスはＨＣｌであり、第二のシラン系ガスはＳｉＨ₄であり、第二のエッチングガスはＣｌ₂であることを特徴とする。

また、本発明に係る基板処理装置は、シリコン基板を収容する処理室と、前記シリコン基板を加熱する加熱手段と、前記処理室内へシラン系ガス及びエッチングガスを供給する複数のガス供給手段と、前記処理室内の雰囲気を排気する排気手段と、前記各手段を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は第一のステップでは第一のガス供給手段により第一のシラン系ガスと第一のエッチングガスを供給し、第二のステップでは第二のガス供給手段により第二のシラン系ガスと第二のエッチングガスを供給するように制御し、前記第一のステップでは第一の温度で前記シリコン基板を加熱し、前記第二のステップでは第二の温度で前記シリコン基板を加熱するように前記加熱手段を制御することを特徴とする。

また、本発明に係る基板処理装置は、前記シリコン基板を加熱する温度を前記第一の温度から前記第二の温度へ変更する間は、少なくとも前記第一のシラン系ガスを供給するように前記第一のガス供給手段を制御することを特徴とする。

本発明によれば、下地（Ｎ＋）へのエッチングを防ぎ、且つ比較的高い成膜レートで成膜することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体デバイスの製造方法の実施形態について詳細に説明する。

実施の形態１．
本実施の形態において、基板処理装置は一例として半導体デバイス製造方法における処理工程を実施する半導体デバイス製造装置として構成されている。図１は、本発明の実施の形態に係る基板処理装置の斜透視図である。尚、以下の説明において、基板に酸化、拡散処理やＣＶＤ処理等を行う縦型の基板処理装置を適用した場合について述べる。また、説明に用いる方向は図１に矢印で示す方向を基準とする。

図１に示すように、シリコン等からなるウエハ（基板）２００を収納したウエハキャリアとしてのカセット１１０が使用されている半導体デバイス製造装置１０１は筐体１１１を備えている。

カセット１１０はカセットステージ１１４上に図示しない工程内搬送装置によって搬入され、カセットステージ１１４上から搬出されるようになっている。カセットステージ１１４は、工程内搬送装置によって、カセット１１０内のウエハ２００が垂直姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置され、カセット１１０を筐体後方に右回り縦方向９０°回転し、カセット１１０内のウエハ２００が水平姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が筐体後方を向くように動作可能となるよう構成されている。

筐体１１１内の前後方向の略中央部には、カセット棚１０５が設置されており、カセット棚１０５は複数段複数列にて複数個のカセット１１０を保管するように構成されている。カセット棚１０５にはカセット１１０が収納される移載棚１２３が設けられている。また、カセットステージ１１４の上方には予備カセット棚１０７が設けられ、予備的にカセット１１０を保管するように構成されている。

カセットステージ１１４とカセット棚１０５との間には、カセット搬送装置１１８が設置されている。カセット搬送装置１１８は、カセット１１０を保持したまま昇降可能なカセットエレベータ１１８ａと搬送機構としてのカセット搬送機構１１８ｂとで構成されており、カセットエレベータ１１８ａとカセット搬送機構１１８ｂとの連続動作により、カセットステージ１１４、カセット棚１０５、予備カセット棚１０７との間で、カセット１１０を搬送するように構成されている。

カセット棚１０５の後方には、ウエハ移載機構１２５が設置されており、ウエハ移載機構１２５は、ウエハ２００を水平方向に回転ないし直動可能なウエハ移載装置１２５ａおよびウエハ移載装置１２５ａを昇降させるためのウエハ移載装置エレベータ１２５ｂとツイーザ１２５ｃで構成されている。ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂは、耐圧筐体１１１の右側端部に設置されている。これら、ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂおよびウエハ移載装置１２５ａの連続動作により、ウエハ移載装置１２５ａのツイーザ１２５ｃをウエハ２００の載置部として、ボート１３０に対してウエハ２００を装填および脱装するように構成されている。

筐体１１１の後部上方には、処理炉２０２が設けられている。処理炉２０２の下端部は、炉口シャッタ１４７により開閉されるように構成されている。処理炉２０２の下方にはボート１３０を処理炉２０２に昇降させる昇降機構としてのボートエレベータ１１５が設けられ、ボートエレベータ１１５の昇降台に連結された連結具としてのアーム１２８には蓋体としてのシールキャップ２１９が水平に据え付けられており、シールキャップ２１９はボート１３０を垂直に支持し、処理炉２０２の下端部を閉塞可能なように構成されている。ボート１３０は複数本の保持部材を備えており、複数枚（例えば、５０枚〜１５０枚程度）のウエハ２００をその中心を揃えて垂直方向に整列させた状態で、それぞれ水平に保持するように構成されている。

カセット棚１０５の上方には、清浄化された空気であるクリーンエアを供給するよう供給ファン及び防塵フィルタで構成されたクリーンユニット１３４ａが設けられておりクリーンエアを前記筐体１１１の内部に流通させるように構成されている。また、ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂおよびボートエレベータ１１５側と反対側である筐体１１１の左側端部には、クリーンエアを供給するよう供給ファンおよび防塵フィルタで構成されたクリーンユニット１３４ｂが設置されており、クリーンユニット１３４ｂから吹き出されたクリーンエアは、ウエハ移載装置１２５ａ、ボート１３０を流通した後に、図示しない排気装置に吸い込まれて、筐体１１１の外部に排気されるようになっている。

次に、本発明の実施形態に係る基板処理装置の動作について説明する。

まず、カセット１１０が図示しないカセット搬入搬出口から搬入され、カセットステージ１１４の上にウエハ２００が垂直姿勢であって、カセット１１０のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置される。その後、カセット１１０は、カセットステージ１１４によって、カセット１１０内のウエハ２００が水平姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が筐体後方を向けるように、筐体後方に右周り縦方向９０°回転させられる。

次に、カセット１１０は、カセット棚１０５ないし予備カセット棚１０７の指定された棚位置へカセット搬送装置１１８によって自動的に搬送されて受け渡され、一時的に保管された後、カセット棚１０５ないし予備カセット棚１０７からカセット搬送装置１１８によって移載棚１２３に移載されるか、もしくは直接移載棚１２３に搬送される。

カセット１１０が移載棚１２３に移載されると、ウエハ２００はカセット１１０からウエハ移載装置１２５ａのツイーザ１２５ｃによってウエハ出し入れ口を通じてピックアップされ、ボート１３０に装填される。ボート１３０にウエハ２００を受け渡したウエハ移載装置１２５ａはカセット１１０に戻り、次のウエハ２００をボート１３０に装填する。

予め指定された枚数のウエハ２００がボート１３０に装填されると、炉口シャッタ１４７によって閉じられていた処理炉２０２の下端部が、炉口シャッタ１４７によって、開放される。続いて、ウエハ２００群を保持したボート１３０はシールキャップ２１９がボートエレベータ１１５によって上昇されることにより、処理炉２０２内へ搬入されて行く。

搬入後は、処理炉２０２にてウエハ２００に任意の処理が実施される。
処理後は、上述の逆の手順で、ウエハ２００およびカセット１１０は筐体１１１の外部へ払出される。

次に基板処理装置の処理炉２０２の構成について説明する。図２は本発明の実施の形態で好適に用いられる基板処理装置の処理炉及び処理炉周辺の概略構成図であり、縦断面図として示されている。

図２に示されるように、処理炉２０２は加熱機構としてのヒータ２０６を有する。ヒータ２０６は円筒形状であり、ヒータ素線とその周囲に設けられた断熱部材より構成され、図示しない保持体に支持されることにより垂直に据え付けられている。

ヒータ２０６の内側には、ヒータ２０６と同心円状に反応管としてのアウターチューブ２０５が配設されている。アウターチューブ２０５は、石英（ＳｉＯ₂）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱材料からなり、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。アウターチューブ２０５の内側の筒中空部には、処理室２０１が形成されており、基板としてのウエハ２００を後述するボート１３０によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。

アウターチューブ２０５の下方には、アウターチューブ２０５と同心円状にマニホールド２０９が配設されている。マニホールド２０９は、例えば、ステンレス等からなり、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。このマニホールド２０９はアウターチューブ２０５を支持するように設けられている。尚、マニホールド２０９とアウターチューブ２０５との間には、シール部材としてのＯリングが設けられている。このマニホールド２０９が図示しない保持体に支持されることにより、アウターチューブ２０５は垂直に据え付けられた状態となっている。このアウターチューブ２０５とマニホールド２０９により反応容器が形成される。

マニホールド２０９には、ガス排気管２３１が設けられると共に、ガス供給管２３２が貫通するよう設けられている。ガス供給管２３２は、上流側で５つに分かれており、バルブ１７５〜１７９とガス流量制御装置としてのＭＦＣ（ＭａｓｓＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１８５〜１８９を介して第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、第４のガス供給源１８３、第５のガス供給源１８４にそれぞれ接続されている。ＭＦＣ１８５〜１８９及びバルブ１７５〜１７９には、ガス流量制御部２３５が電気的に接続されており、供給するガスの流量が所望の流量となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。ガス排気管２３１の下流側には、図示しない圧力検出器としての圧力センサ及び圧力調整器としてのＡＰＣバルブ２４２を介して真空ポンプ等の真空排気装置２４６が接続されている。圧力センサ及びＡＰＣバルブ２４２には、圧力制御部２３６が電気的に接続されており、圧力制御部２３６は、圧力センサにより検出された圧力に基づいてＡＰＣバルブ２４２の開度を調節することにより、処理室２０１内の圧力が所望の圧力となるよう所望のタイミングにて制御するよう構成されている。

マニホールド２０９の下方には、マニホールド２０９の下端開口を気密に閉塞するための炉口蓋体としてのシールキャップ２１９が設けられている。シールキャップ２１９は、例えばステンレス等の金属よりなり、円盤状に形成されている。シールキャップ２１９の上面には、マニホールド２０９の下端と当接するシール部材としてのＯリングが設けられている。シールキャップ２１９には、回転機構２５４が設けられている。回転機構２５４の回転軸２５５はシールキャップ２１９を貫通して後述するボート１３０に接続されており、ボート１３０を回転させることでウエハ２００を回転させるように構成されている。シールキャップ２１９は、処理炉２０２の外側に設けられた昇降機構としての後述する昇降モータ２４８によって垂直方向に昇降されるように構成されており、これによりボート１３０を処理室２０１に対し搬入搬出することが可能となっている。回転機構２５４及び昇降モータ２４８には、駆動制御部２３７が電気的に接続されており、所望の動作をするよう所望のタイミングにて制御するよう構成されている。

基板保持具としてのボート１３０は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなり、複数枚のウエハ２００を水平姿勢でかつ互いに中心を揃えた状態で整列させて多段に保持するように構成されている。尚、ボート１３０の下部には、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなる円板形状をした断熱部材としての断熱板２１６が水平姿勢で多段に複数枚配置されており、ヒータ２０６からの熱がマニホールド２０９側に伝わりにくくなるよう構成されている。

ヒータ２０６近傍には、処理室２０１内の温度を検出する温度検出体として、図示しない温度センサが設けられる。ヒータ２０６及び温度センサには、電気的に温度制御部２３８が接続されており、温度センサにより検出された温度情報に基づきヒータ２０６への通電具合を調節することにより処理室２０１内の温度が所望の温度分布となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

この処理炉２０２の構成において、第１の処理ガスは、第１のガス供給源１８０から供給され、ＭＦＣ１８５でその流量が調節された後、バルブ１７５を介して、ガス供給管２３２により処理室２０１内に導入される。第２の処理ガスは、第２のガス供給源１８１から供給され、ＭＦＣ１８６でその流量が調節された後、バルブ１７６を介してガス供給管２３２により処理室２０１内に導入される。第３の処理ガスは、第３のガス供給源１８２から供給され、ＭＦＣ１８７でその流量が調節された後、バルブ１７７を介してガス供給管２３２より処理室２０１内に導入される。第４の処理ガスは、第４のガス供給源１８３から供給され、ＭＦＣ１８８でその流量が調節された後、バルブ１７８を介してガス供給管２３２より処理室２０１内に導入される。第５の処理ガスは、第５のガス供給源１８４から供給され、ＭＦＣ１８９でその流量が調節された後、バルブ１７９を介してガス供給管２３２より処理室２０１内に導入される。また、処理室２０１内のガスは、ガス排気管２３１に接続された排気装置としての真空ポンプ２４６により、処理室２０１から排気される。

次に、本発明で用いる基板処理装置の処理炉周辺の構成について説明する。

図２に示されるように、予備室としてのロードロック室１４０の外面に下基板２４５が設けられる。下基板２４５には昇降台２４９と嵌合するガイドシャフト２６４及び昇降台２４９と螺合するボール螺子２４４が設けられる。下基板２４５に立設したガイドシャフト２６４及びボール螺子２４４の上端に上基板２４７が設けられる。ボール螺子２４４は上基板２４７に設けられた昇降モータ２４８により回転される。ボール螺子２４４が回転することにより昇降台２４９が昇降するように構成されている。

昇降台２４９には中空の昇降シャフト２５０が垂設され、昇降台２４９と昇降シャフト２５０の連結部は気密となっている。昇降シャフト２５０は昇降台２４９と共に昇降するようになっている。昇降シャフト２５０はロードロック室１４０の天板２５１を遊貫する。昇降シャフト２５０が貫通する天板２５１の貫通穴は昇降シャフト２５０に対して接触することがない様充分な余裕がある。ロードロック室１４０と昇降台２４９との間には昇降シャフト２５０の周囲を覆うように伸縮性を有する中空伸縮体としてのベローズ２６５がロードロック室１４０を気密に保つために設けられる。ベローズ２６５は昇降台２４９の昇降量に対応できる充分な伸縮量を有し、ベローズ２６５の内径は昇降シャフト２５０の外形に比べ充分に大きくベローズ２６５の伸縮で接触することがないように構成されている。

昇降シャフト２５０の下端には昇降基板２５２が水平に固着される。昇降基板２５２の下面にはＯリング等のシール部材を介して駆動部カバー２５３が気密に取付けられる。昇降基板２５２と駆動部カバー２５３とで駆動部収納ケース２５６が構成されている。この構成により、駆動部収納ケース２５６内部はロードロック室１４０内の雰囲気と隔離される。

また、駆動部収納ケース２５６の内部にはボート１３０の回転機構２５４が設けられ、回転機構２５４の周辺は、冷却機構２５７により、冷却される。

電力供給ケーブル２５８が昇降シャフト２５０の上端から昇降シャフト２５０の中空部を通って回転機構２５４に導かれて接続されている。又、冷却機構２５７、シールキャップ２１９には冷却流路２５９が形成されており、冷却流路２５９には冷却水を供給する冷却水配管２６０が接続され、昇降シャフト２５０の上端から昇降シャフト２５０の中空部を通っている。

昇降モータ２４８が駆動され、ボール螺子２４４が回転することで昇降台２４９及び昇降シャフト２５０を介して駆動部収納ケース２５６を昇降させる。

駆動部収納ケース２５６が上昇することにより、昇降基板２５２に気密に設けられるシールキャップ２１９が処理炉２０２の開口部である炉口１６１を閉塞し、ウエハ処理が可能な状態となる。駆動部収納ケース２５６が下降することにより、シールキャップ２１９とともにボート１３０が降下され、ウエハ２００を外部に搬出できる状態となる。

ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８は、操作部、入出力部をも構成し、基板処理装置全体を制御する主制御部２３９に電気的に接続されている。これら、ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８、主制御部２３９は、コントローラ２４０として構成されている。

尚、本実施の形態において、ウエハ２００はシリコン表面及び酸化膜等の絶縁膜を有する基板とする。

次に、上記構成に係る処理炉を用いた半導体デバイスの製造工程の一工程として、ウエハの単結晶シリコン表面上にのみ選択的にシリコン系のエピタキシャル膜を成長させる膜形成方法について、図２を参照しつつ、図３及び図４を用いて説明する。図３は本実施の形態におけるエピタキシャル膜の成膜処理の動作を示すフローチャートであり、図４は処理炉のガス経路を示す図である。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作は、コントローラ（制御手段）により制御される。また、シリコン表面上の膜は最初の５００Å〜１０００Åまで第一層目で成膜し、残りの膜厚は第二層目で成膜するものとする。

まず、複数枚のウエハ２００がボート１３０に装填されると、複数枚のウエハ２００（シリコン基板）を保持したボート１３０は、昇降モータ２４８による昇降台２４９及び昇降シャフト２５０の昇降動作により処理室２０１内に搬入される（Ｓ１０１、第一のステップ）。この状態で、シールキャップ２１９はＯリングを介してマニホールド２０９の下端をシールした状態となる。

次に、処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空排気装置２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１内の圧力は、圧力センサで測定され、この測定された圧力に基づき圧力調節器２４２がフィードバック制御される。また、処理室２０１内が第一層目の膜を成膜するのに適した所望の温度（第一の温度）となるようにヒータ２０６（加熱手段）により加熱される（Ｓ１０２、第二のステップ）。尚、処理室２０１内がヒータ２０６により加熱される際、処理室２０１内が所望の温度分布となるように温度センサが検出した温度情報に基づきヒータ２０６への通電具合がフィードバック制御される。続いて、回転機構２５４により、ボート１３０が回転されることでウエハ２００が回転される。

複数のガス供給手段である第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、第４のガス供給源１８３、第５のガス供給源１８４には、それぞれ処理ガスとしてＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス、ＨＣｌガス、Ｈ₂ガス、ＳｉＨ₄ガス、Ｃｌ₂ガスが封入されており、次いで、第１のガス供給源１８０から成膜ガスとしてＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス（第一のシラン系ガス）が供給され、第２のガス供給源１８１からエッチングガスとしてＨＣｌガス（第一のエッチングガス）が供給され、第３のガス供給源１８２からＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガスに対する希釈ガスとしてＨ₂ガスが供給される。それぞれのガスが所望の流量となるようにＭＦＣ１８５〜１８７の開度がそれぞれ調節された後、バルブ１７５〜１７７がそれぞれ開かれ、それぞれの処理ガスがガス供給管２３２を流通して、処理室２０１の上部から処理室２０１内に導入される。図４に示すように、導入されたガスは、処理室２０１内を通り、ガス排気管２３１（排気手段）から排気される。ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガスは処理室２０１内を通過する際にウエハ２００に接触してその表面を成膜し、ＨＣｌガスはウエハ２００の酸化シリコン上にＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガスにより成膜された膜をエッチングし、その結果、ウエハ２００の表面上に第一層目の膜として高温シリコン選択エピタキシャル膜が成膜される（Ｓ１０３、第二のステップ）。

予め設定された時間が経過すると、第１のガス供給源１８０及び第２のガス供給源１８１のバルブ１７５、１７６がそれぞれ閉められ、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス及びＨＣｌガスの供給が停止され、Ｈ₂ガスのみが供給されたまま処理室２０１内が第二層目の膜を成膜するのに適した所望の温度（第二の温度）となるようにヒータ２０６への通電具合がフィードバック制御される（Ｓ１０４、第三のステップ）。

そして、処理室２０１内が所望の温度分布となり温度が安定すると（Ｓ１０５）、Ｈ₂ガスが供給されつつ第４のガス供給源１８３から成膜ガスとしてＳｉＨ₄ガス（第二のシラン系ガス）が供給され、第５のガス供給源１８４からエッチングガス（第二のエッチングガス）としてＣｌ₂ガスが供給され、それぞれのガスが所望の流量となるようにＭＦＣ１８８、１８９の開度がそれぞれ調節された後、バルブ１７８、１７９がそれぞれ開かれ、それぞれの処理ガスがガス供給管２３２を流通して、処理室２０１の上部から処理室２０１内に導入される。ＳｉＨ₄ガスは、処理室２０１内を通過する際にウエハ２００と接触してその表面を成膜し、Ｃｌ₂ガスはウエハ２００の酸化シリコン上にＳｉＨ₄ガスにより成膜された膜をエッチングし、その結果、第二層目の膜として低温シリコン選択エピタキシャル膜が成膜される（Ｓ１０６、第四のステップ）。

予め設定された時間が経過すると、第４のガス供給源１８３及び第５のガス供給源１８４のバルブ１７８、１７９がそれぞれ閉められ、ＳｉＨ₄ガス及びＣｌ₂ガスの供給が停止され、処理室２０１内がＨ₂ガスで置換されると共に、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される（Ｓ１０７）。

その後、昇降モータ２４８によりシールキャップ２１９が下降されて、マニホールド２０９の下端が開口されると共に、処理済ウエハ２００がボート１３０に保持された状態でマニホールド２０９の下端からアウターチューブ２０５の外部に搬出される。その後、処理済のウエハ２００は、ボート１３０より取出される（Ｓ１０８）。

尚、一例まで、本実施の形態の処理炉にてウエハ２００を処理する際の処理条件としては、例えば、第一層目の膜である高温シリコン選択エピタキシャル膜の成膜時においては、処理温度７００〜８００℃、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス流量１〜１０００ｓｃｃｍ、ＨＣｌガス流量１〜１０００ｓｃｃｍ、Ｈ₂ガス流量１０〜５００００ｓｃｃｍ、処理圧力３００ｐａ以下が例示され、第一層目成膜時の温度から第二層目成膜時の温度への温度変更時においては、Ｈ₂ガス流量１０〜５００００、処理圧力３００ｐａ以下が例示され、第二層目の膜である低温シリコン選択エピタキシャル膜の成膜時においては、処理温度５００〜７００℃、ＳｉＨ₄ガス流量１〜１０００ｓｃｃｍ、Ｃｌ₂ガス流量１〜１０００ｓｃｃｍ、Ｈ₂ガス流量１０〜５００００ｓｃｃｍ、処理圧力３００ｐａ以下が例示され、それぞれの処理条件をそれぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ２００に処理がなされる。

上述したように、第一層目のエッチングガスとして、下地（Ｎ＋）への影響がないＨＣｌガスを使用し、第二層目の成膜ガスとして、成膜温度が低いためにウエハ２００ヘの熱ダメージが少なく成膜レートが高いＳｉＨ₄ガスを使用し、第一層目の成膜後に成膜することで、下地（Ｎ＋）への影響なく高い成膜レートでウエハ２００表面を成膜することができる。

実施の形態２．
実施の形態１においては、第一層目の成膜を終えた後に、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス及びＨＣｌガスの供給を停止し、Ｈ₂ガスのみを処理室２０１内に供給したが、Ｈ₂ガスだけを供給すると基板の酸化膜から離脱した水分がシリコン選択エピタキシャル膜の界面に付着し、界面の酸素濃度が高くなるという問題がある。

そこで、本実施の形態においては、第一層目の成膜を終えた後であってもＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス及びＨＣｌガスの供給を第二層目の成膜まで停止せずに、処理室２０１内の温度が安定するまで供給し続ける。以下、本実施の形態におけるエピタキシャル膜形成処理の動作を示すフローチャートである図５を用いて動作を説明する。尚、本実施の形態を実行する装置の構成は実施の形態１を実行する装置と同様の構成とする。

まず、複数枚のウエハ２００がボート１３０に装填されると、複数枚のウエハ２００（シリコン基板）を保持したボート１３０は、昇降モータ２４８による昇降台２４９及び昇降シャフト２５０の昇降動作により処理室２０１内に搬入される（Ｓ２０１、第一のステップ）。この状態で、シールキャップ２１９はＯリングを介してマニホールド２０９の下端をシールした状態となる。

次に、処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空排気装置２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１内の圧力は、圧力センサで測定され、この測定された圧力に基づき圧力調節器２４２がフィードバック制御される。また、処理室２０１内が第一層目の膜を成膜するのに適した所望の温度（第一の温度）となるようにヒータ２０６（加熱手段）により加熱される（Ｓ２０２、第二のステップ）。尚、処理室２０１内がヒータ２０６により加熱される際、処理室２０１内が所望の温度分布となるように温度センサが検出した温度情報に基づきヒータ２０６への通電具合がフィードバック制御される。続いて、回転機構２５４により、ボート１３０が回転されることでウエハ２００が回転される。

次に、複数のガス供給手段である第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、第４のガス供給源１８３、第５のガス供給源１８４には、それぞれ処理ガスとしてＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス、ＨＣｌガス、Ｈ₂ガス、ＳｉＨ₄ガス、Ｃｌ₂ガスが封入されており、次いで、第１のガス供給源１８０から成膜ガスとしてＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス（第一のシラン系ガス）が供給され、第２のガス供給源１８１からエッチングガスとしてＨＣｌガス（第一のエッチングガス）が供給され、第３のガス供給源１８２からＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガスに対する希釈ガスとしてＨ₂ガスが供給される。それぞれのガスが所望の流量となるようにＭＦＣ１８５〜１８７の開度がそれぞれ調節された後、バルブ１７５〜１７７がそれぞれ開かれ、それぞれの処理ガスがガス供給管２３２を流通して、処理室２０１の上部から処理室２０１内に導入される。図４に示すように、導入されたガスは、処理室２０１内を通り、ガス排気管２３１（排気手段）から排気される。ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガスは処理室２０１内を通過する際にウエハ２００に接触してその表面を成膜し、ＨＣｌガスはウエハ２００の酸化シリコン上にＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガスにより成膜された膜をエッチングし、その結果、ウエハ２００の表面上に第一層目の膜として高温シリコン選択エピタキシャル膜が成膜される（Ｓ２０３、第二のステップ）。

予め設定された時間が経過しても、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス、ＨＣｌガス、Ｈ₂ガスはそれぞれ供給され続け、処理室２０１内が第二層目の膜を成膜するのに適した所望の温度（第二の温度）となるようにヒータ２０６への通電具合がフィードバック制御される（Ｓ２０４、第三のステップ）。

そして、処理室２０１内が所望の温度分布となり温度が安定すると（Ｓ２０５）、第１のガス供給源１８０及び第２のガス供給源１８１のバルブ１７５、１７６がそれぞれ閉められ、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス及びＨＣｌガスの供給が停止され、次いで、第４のガス供給源１８３から成膜ガスとしてＳｉＨ₄ガス（第二のシラン系ガス）が供給され、第５のガス供給源１８４からエッチングガス（第二のエッチングガス）としてＣｌ₂ガスが供給され、それぞれのガスが所望の流量となるようにＭＦＣ１８８、１８９の開度がそれぞれ調節された後、バルブ１７８、１９がそれぞれ開かれ、それぞれの処理ガスがガス供給管２３２を流通して、処理室２０１の上部から処理室２０１内に導入される。ＳｉＨ₄ガスは、処理室２０１内を通過する際にウエハ２００と接触してその表面を成膜し、Ｃｌ₂ガスはウエハ２００の酸化シリコン上にＳｉＨ₄ガスにより成膜された膜をエッチングし、その結果、第二層目の膜として低温シリコン選択エピタキシャル膜が成膜される（Ｓ２０６、第四のステップ）。

予め設定された時間が経過すると、第４のガス供給源１８３及び第５のガス供給源１８４のバルブ１７８、１７９がそれぞれ閉められ、ＳｉＨ₄ガス及びＣｌ₂ガスの供給が停止され、処理室２０１内がＨ₂ガスで置換されると共に、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される（Ｓ２０７）。

その後、昇降モータ２４８によりシールキャップ２１９が下降されて、マニホールド２０９の下端が開口されると共に、処理済ウエハ２００がボート１３０に保持された状態でマニホールド２０９の下端からアウターチューブ２０５の外部に搬出される。その後、処理済のウエハ２００は、ボート１３０より取出される（Ｓ２０８）。

尚、一例まで、本実施の形態の処理炉にてウエハ２００を処理する際の処理条件としては、例えば、第一層目の膜である高温シリコン選択エピタキシャル膜の成膜時においては、処理温度７００〜８００℃、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス流量１〜１０００ｓｃｃｍ、ＨＣｌガス流量１〜１０００ｓｃｃｍ、Ｈ₂ガス流量１０〜５００００ｓｃｃｍ、処理圧力３００ｐａ以下が例示され、第一層目成膜時の温度から第二層目成膜時の温度への温度変更時においては、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス流量１〜１０００ｓｃｃｍ、ＨＣｌガス流量１〜１０００ｓｃｃｍ、Ｈ₂ガス流量１０〜５００００、処理圧力３００ｐａ以下が例示され、第二層目の膜である低温シリコン選択エピタキシャル膜の成膜時においては、処理温度５００〜７００℃、ＳｉＨ₄ガス流量１〜１０００ｓｃｃｍ、Ｃｌ₂ガス流量１〜１０００ｓｃｃｍ、Ｈ₂ガス流量１０〜５００００ｓｃｃｍ、処理圧力３００ｐａ以下が例示され、それぞれの処理条件をそれぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ２００に処理がなされる。

上述したように、第一層目の成膜後もＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス及びＨＣｌガスを供給し続けることによって、８００℃ほどの高温でないと還元効果がないＨ₂ガスに対して、８００℃未満の低温であっても還元効果のあるＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガスにより第一層目の成膜後に温度を下げている間であってもシリコン表面に付着した水分等の不純物を除去することができ、また、エッチングガスであるＨＣｌガスにより、選択性を維持することができる。

尚、処理するウエハにより結果は異なるが、界面ＳＩＭＳ（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎｉｚａｔｉｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）にて分析した結果、第一層目の成膜における温度から第二層目における温度への切替の際にＨ₂だけを供給し続けた場合、界面酸素濃度ピーク値で２Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超える酸素濃度を検出したのに対し、Ｈ₂と共にＳｉ₂Ｃｌ₂ガス及びＨＣｌガスを供給し続けた場合は、界面酸素濃度ピーク値は１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下に低減した。

また、上述した実施形態１及び実施形態２において、縦型ＣＶＤ装置を用いてシリコン基板上にエピタキシャル膜を成膜する場合について説明したが、本発明は例えば横型や枚葉型の基板処理装置であっても実行可能であり、装置の型に依存しない。また、本発明はエピタキシャル膜の成膜処理に限らず、例えばポリシリコン膜の成膜処理であっても、基板表面に化学反応を用いて膜を堆積させる成膜処理全般において適用可能である。また、本発明はシリコン表面への成膜処理に限らずシリコンゲルマニウム表面への成膜処理においても適用可能である。

本発明の実施の形態に係る基板処理装置の斜透視図である。本発明の実施の形態における基板処理装置の処理炉及び処理炉周辺の概略を示す縦断面図である。実施の形態１におけるエピタキシャル膜の成膜処理の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態における処理炉のガス経路を示す図である。実施の形態２におけるエピタキシャル膜の成膜処理の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１基板処理装置、１７５〜１７９バルブ、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、１８３第４のガス供給源、１８４第５のガス供給源、１８５〜１８９ＭＦＣ、２０１処理室、２０２処理炉、２０６ヒータ、２３１ガス排気管、２３５ガス流量制御部、２３６圧力制御部、２３７駆動制御部、２３８温度制御部、２４２圧力調節器、２４６真空排気装置。

Claims

シリコン基板を処理室内に搬入する第一のステップと、
第一の温度に前記シリコン基板を加熱しつつ、前記処理室内に少なくとも第一のシラン系ガスと第一のエッチングガスを供給する第二のステップと、
前記第一の温度から第二の温度へ変更する第三のステップと、
前記第二の温度に前記シリコン基板を加熱しつつ、前記処理室内に少なくとも第二のシラン系ガスと第二のエッチングガスを供給する第四のステップとを有し、
前記第一の温度と前記第二の温度は異なることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。