JP2010092979A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
エッチングステップ後のパージ条件の最適化を図り、成膜とエッチングを繰返して成膜を行う条件下でも効率的な成長レートを得ることができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】
基板上に選択的にシリコンエピタキシャル膜を成長させる半導体装置の製造方法であって、一部分にシリコン面が露出した基板７を処理室１内に搬入する工程と、シラン系のガスを供給して膜を形成する工程と、第１のパージを行う工程と、エッチングガスを供給してエッチングを行う工程と、第２のパージを行う工程と、前記処理室内から基板を搬出する工程とを有し、前記第２のパージ工程では、前記処理室内の圧力を１５〜８０Ｐａ、該処理室内へのＨ2 流量を１〜２０Ｌ／ｍｉｎとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコンウェーハ、ガラス基板等の基板に、薄膜を生成し、或は不純物の拡散、エッチング、アニール処理等の処理を行う半導体装置の製造方法に関するものである。

シリコンウェーハ等の基板から半導体装置を製造する工程に、熱ＣＶＤ法による薄膜の生成、不純物の拡散、エッチング、アニール処理等の基板処理が有り、該基板処理の１工程に選択エピタキシャルプロセスがある。

又、斯かる基板処理を行うものとして基板処理装置があり、該基板処理装置では、基板を加熱処理する処理炉を具備し、該処理炉はヒータと該ヒータ内に設けられ、基板を収納する処理室とから構成され、該処理室で基板が加熱状態で処理される様になっており、処理後は基板を所定温度迄冷却している。

従来、選択エピタキシャルプロセスに於いては、成膜ガスとエッチングガスを同時に供給する方法と、成膜ガスとエッチングガスを交互に供給する方法とがある。

交互供給の場合は、成膜ガスのみを供給するステップと、エッチングガスのみを供給するステップと、それぞれのガスを供給後にパージを行うステップとを有している。

成膜ステップでは、Ｓｉ基板に比べて絶縁膜上への成長開始が遅れる時間を利用してＳｉ基板上に選択成長させており、エッチングステップでは成膜ステップで発生した可能性のある絶縁膜上の核を除去することで選択性のマージンを確保している。これらの繰返しを複数回行うことで、所望の膜厚を得ることができる。

又、通常成膜ステップやエッチングステップの後にはＮ2 等の不活性ガスやＨ2 等でパージを行うステップを挾み、成膜ガスとエッチングガスの混合を避けている。

然し乍ら、従来の方法では、成膜ステップでの膜の成長量とエッチングステップでの膜のエッチング量の差を単純に計算して得た値では理想の成長量が得られない場合があった。

本発明は斯かる実情に鑑み、エッチングステップ後のパージ条件の最適化を図り、成膜とエッチングを繰返して成膜を行う条件下でも効率的な成長レートを得ることができる半導体装置の製造方法を提供するものである。

本発明は、基板上に選択的にシリコンエピタキシャル膜を成長させる半導体装置の製造方法であって、一部分にシリコン面が露出した基板を処理室内に搬入する工程と、シラン系のガスを供給して膜を形成する工程と、第１のパージを行う工程と、エッチングガスを供給してエッチングを行う工程と、第２のパージを行う工程と、前記処理室内から基板を搬出する工程とを有し、前記第２のパージ工程では、前記処理室内の圧力を１５〜８０Ｐａ、該処理室内へのＨ2 流量を１〜２０Ｌ／ｍｉｎとする半導体装置の製造方法に係るものである。

本発明によれば、基板上に選択的にシリコンエピタキシャル膜を成長させる半導体装置の製造方法であって、一部分にシリコン面が露出した基板を処理室内に搬入する工程と、シラン系のガスを供給して膜を形成する工程と、第１のパージを行う工程と、エッチングガスを供給してエッチングを行う工程と、第２のパージを行う工程と、前記処理室内から基板を搬出する工程とを有し、前記第２のパージ工程では、前記処理室内の圧力を１５〜８０Ｐａ、該処理室内へのＨ2 流量を１〜２０Ｌ／ｍｉｎとするので、膜の成長を阻害するＣｌ成分を除去し、膜の効率的な成長レートを得ることができるという優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明が実施される基板処理装置について説明する。

処理炉１６は加熱機構としてのヒータ１２を有する。該ヒータ１２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付けられている。

前記ヒータ１２近傍には、処理室１内の温度を検出する温度検出体としての温度センサ（図示せず）が設けられる。前記ヒータ１２及び前記温度センサには、電気的に温度制御部２０が接続されており、前記温度センサにより検出された温度情報に基づき前記ヒータ１２への通電具合を調節することにより前記処理室１内の温度が所望の温度分布となる様所望のタイミングにて制御する様に構成されている。

前記ヒータ１２の内側には、該ヒータ１２と同心に反応管２が配設されている。該反応管２は、石英（ＳｉＯ2 ）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料から成り、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。前記反応管２は前記処理室１を画成し、前記ボート６を収納し、ウェーハ７は前記ボート６に保持された状態で前記処理室１に収納される。

前記反応管２の下方には、該反応管２と同心にマニホールド３が配設され、前記反応管２は前記マニホールド３に立設されている。該マニホールド３は、例えば、ステンレス鋼等から成り、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。尚、前記マニホールド３と前記反応管２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。前記マニホールド３が保持体、例えば前記ロードロック室４に支持されることにより、前記反応管２は垂直に設置された状態となっている。該反応管２と前記マニホールド３により反応容器が形成される。

前記マニホールド３には、ガス排気管９が設けられると共に、ガス供給管２１が貫通する様に設けられている。該ガス供給管２１は、上流側で３つに分岐し、バルブ２２，２３，２４と、ガス流量制御装置としてのＭＦＣ２５，２６，２７を介して第１ガス供給源２８、第２ガス供給源２９、第３ガス供給源３０にそれぞれ接続されており、下流側では前記処理室１内に垂直状態で設けられた石英製のガスノズル１１と接続されている。

前記第１ガス供給源２８、前記第２ガス供給源２９、前記第３ガス供給源３０にはそれぞれ処理ガスとして、ＳｉＨ4 又はＳｉ2 Ｈ6 、ＳｉＨ2 Ｃｌ2 又はＢＣｌ3 、ＧｅＨ4 又はＨ2 が封入されている。

前記ＭＦＣ２５，２６，２７及び前記バルブ２２，２３，２４には、ガス流量制御部３２が電気的に接続されており、該ガス流量制御部３２は供給するガスの流量が所望の流量となる様所望のタイミングにて制御する様に構成されている。

前記ガス排気管９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１７を介して真空ポンプ等の真空排気装置１８が接続されている。該真空排気装置１８は、排気能力の高い３次真空ポンプ、例えば分子ターボポンプ＋機械ブースとポンプ＋ドライポンプ等が用いられることが好ましい。

圧力センサ及び前記ＡＰＣバルブ１７には、圧力制御部４０が電気的に接続されており、該圧力制御部４０は、圧力センサにより検出された圧力に基づいて前記ＡＰＣバルブ１７の開度を調節することにより、前記処理室１の圧力が所望の圧力となる様所望のタイミングにて制御する様構成されている。

前記処理炉１６の構成に於いて、第１の処理ガスは、前記第１ガス供給源２８から供給され、前記ＭＦＣ２５でその流量が調節された後、前記バルブ２２を介して、前記ガス供給管２１により前記処理室１内に導入される。第２の処理ガスは、前記第２ガス供給源２９から供給され、前記ＭＦＣ２６でその流量が調節された後、前記バルブ２３を介して前記ガス供給管２１により前記処理室１内に導入される。第３の処理ガスは、前記第３ガス供給源３０から供給され、前記ＭＦＣ２７でその流量が調節された後、前記バルブ２４を介して前記ガス供給管２１より前記処理室１内に導入される。又、該処理室１内のガスは、前記ガス排気管９に接続された前記真空排気装置１８により、前記処理室１から排気される。

次に、前記ボートエレベータ３３について説明する。

該ボートエレベータ３３の駆動機構部３４は、前記ロードロック室４の側壁に設けられている。

前記駆動機構部３４は、平行に立設されたガイドシャフト３５、ボール螺子３６を具備し、該ボール螺子３６は回転自在に支持され、昇降モータ３７により、回転される様になっている。昇降台３８が前記ガイドシャフト３５に摺動自在に嵌合すると共に前記ボール螺子３６に螺合し、前記昇降台３８には前記ガイドシャフト３５と平行に中空の昇降シャフト３９が垂設されている。

該昇降シャフト３９は、前記ロードロック室４の天井面を遊貫して内部に延出しており、下端には中空の駆動部収納ケース４１が気密に設けられている。前記昇降シャフト３９を非接触で覆う様にベローズ４２が設けられ、該ベローズ４２の上端は前記昇降台３８の下面に、又前記ベローズ４２の下端は前記ロードロック室４の上面にそれぞれ気密に固着され、前記昇降シャフト３９及び該昇降シャフト３９の遊貫部は気密にシールされている。

前記ロードロック室４の天井部には前記マニホールド３と同心に炉口５が設けられ、該炉口５は前記マニホールド３の下端開口より小さく穿設され、又前記炉口５はシールキャップ８によって下方から気密に閉塞可能となっている。該シールキャップ８は、例えばステンレス等の金属から成り、円盤状に形成され、前記駆動部収納ケース４１の上面に気密に固着されている。

該駆動部収納ケース４１は気密構造となっており、内部は前記ロードロック室４内の雰囲気と隔離される。前記駆動部収納ケース４１の内部にはボート回転機構４３が設けられ、該ボート回転機構４３の回転軸は前記駆動部収納ケース４１の天板、前記シールキャップ８を遊貫して上方に延出し、上端にはボート載置台４４が固着され、該ボート載置台４４に前記ボート６が載置される。

前記シールキャップ８、前記ボート回転機構４３はそれぞれ水冷式の冷却機構４５，４６によって冷却されており、該冷却機構４５，４６への冷却水管４７は前記昇降シャフト３９を通過して外部の冷却水源（図示せず）に接続されている。又、前記ボート回転機構４３への給電は、前記昇降シャフト３９を通して配線された電力供給ケーブル４８を介して行われる。

前記ボート回転機構４３及び前記昇降モータ３７には、駆動制御部４９が電気的に接続されており、所望の動作をする様所望のタイミングにて制御する様構成されている。

前記温度制御部２０、前記ガス流量制御部３２、前記圧力制御部４０、前記駆動制御部４９は、操作部、入出力部をも構成し、前記基板処理装置全体を制御する主制御部５０に電気的に接続されている。

次に、前記処理炉１を用い、半導体デバイスの製造工程の１工程として、成膜ステップとエッチングステップを複数回繰返すことで所望の膜厚を得るＳｉ又はＳｉＧｅの選択エピタキシャル成長プロセスの一例を以下に示す。尚、以下の説明に於いて、基板処理装置を構成する各部の動作は、前記主制御部５０により制御される。

図２は、選択エピタキシャル成長プロセスのフローチャートである。尚、処理ガスの導入、不活性ガスの導入については前述したと同様に行われる。

ウェーハ７を搭載したボート６を前記処理室１内に装入し（ＳＴＥＰ：０１）、前記ヒータ１２を加熱して前記処理室１内の温度を上昇、安定させる（ＳＴＥＰ：０２）。該処理室１内を所定の温度迄上昇させた後、成膜ガスを該処理室１内に供給する（ＳＴＥＰ：０３）。ＳＴＥＰ：０３後、図示しない不活性ガス供給源より不活性ガスを前記処理室１内に供給し、第１のガスパージを行う（ＳＴＥＰ：０４）。成膜ガスを完全にパージした後、エッチングガスを前記処理室１内に供給し、エッチング処理をする（ＳＴＥＰ：０５）。ＳＴＥＰ：０５後、前記第３ガス供給源３０より前記バルブ２４で流量調整されたＨ2 ガスにより、第２のガスパージを行う（ＳＴＥＰ：０６）。ＳＴＥＰ：０６が終了した段階で、所望の膜厚が得られているかどうかを判断し（ＳＴＥＰ：０７）、所望の膜厚が得られていない場合は再び成膜ガスを供給し、所望の膜厚が得られる迄ＳＴＥＰ：０３〜ＳＴＥＰ：０６を繰返し、膜の堆積を行う。ＳＴＥＰ：０７で所望の膜厚が得られたと判断されると前記ボート６を前記処理室１内から装脱し（ＳＴＥＰ：０８）、処理を完了する。

上記選択エピタキシャル成長プロセスに於いては、エッチングステップ後にウェーハ７の表面にＣｌ成分が吸着し、次期の成膜ステップで膜の成長を阻害する。本発明では、Ｃｌ成分を効率的に除去することが全体の成長レート（生産性）に大きく影響する点に着目した。そこで、エッチングステップから次期の成膜ステップに移行する際の第２パージステップで圧力とＨ2 パージ流量の最適化を行い、Ｈ2 と残留Ｃｌを反応させ、理想の成長量が得られる様にした。

先ず、Ｈ2 パージの効果を調べる為、成膜ステップやエッチングステップの条件は変更せず、エッチング後のＨ2 パージの条件だけを変更して膜の成長量の違いを調べた。Ｈ2 パージ不足の場合は膜の成長が得られず、ある程度のＨ2 流量及び炉内圧力は必要である。然し乍ら、ただ単にＨ2 を大流量且つ高圧でパージすればよいというわけではないことが判明した。

以下、図３、図４に於いて、エッチングステップ後のパージ条件及び実験結果を示す。

本発明では、Ｈ2 流量、炉内圧力（全圧）、排気方法を変更し、４パターンの条件の下、Ｈ2 パージステップを行った。各条件の具体的な圧力値、Ｈ2 流量、排気方法は次の通りである。
条件１ Ｈ2 流量：０．１Ｌ／ｍｉｎ 圧力： １Ｐａ 排気方法：ＴＭＰ排気
条件２ Ｈ2 流量： １Ｌ／ｍｉｎ 圧力：１５Ｐａ 排気方法：ＴＭＰ排気
条件３ Ｈ2 流量： ５Ｌ／ｍｉｎ 圧力：３０Ｐａ 排気方法：ドライポンプ排気
条件４ Ｈ2 流量： ２０Ｌ／ｍｉｎ 圧力：８０Ｐａ 排気方法：ドライポンプ排気

成膜とエッチングレートから見積った理想膜厚を１とした場合、条件１に於いては、成膜反応が起らずエッチング反応のみが生じ、−０．８６という結果となった。条件２に於いては膜厚が０．４４となり、条件３に於いては膜厚が０．６４となり、条件４に於いては膜厚が０．４６という結果となった。

４つの条件のうち、条件３がエッチングステップ後にウェーハ７に吸着したＣｌ成分を最も効果的に除去できていることになる。メカニズムは正確には不明ではあるが、全圧３０Ｐａ程度のＨ2 パージがＣｌ成分と最も反応し易いのではないかと考えられる。

又、パージ不足により膜が得られなかった原因条件１として、エッチングステップ後にウェーハ７に吸着したＣｌ成分を完全に除去することができず、その結果Ｃｌ成分の影響で次期の成膜ステップで膜が成長しなかったこと等が考えられる。

Ｈ2 大流量且つ高圧でのパージでもパージ効率が悪くなる原因として、炉内の圧力が高くなり過ぎることでガス分子の平均自由工程が短くなり、ウェーハ面内方向へのＨ2 の供給が均一に行われなくなること等が考えられる。

尚、本発明ではＨ2 連続フローによるパージについて説明したが、Ｈ2 でサイクルパージを実施する等の方法でも効果的なパージになると考えられる。

（付記）
又、本発明は以下の実施の態様を含む。

（付記１）基板上に選択的にシリコンエピタキシャル膜を成長させる半導体装置の製造方法であって、一部分にシリコン面が露出した基板を処理室内に搬入する工程と、シラン系のガスを供給して膜を形成する工程と、第１のパージを行う工程と、エッチングガスを供給してエッチングを行う工程と、第２のパージを行う工程と、前記処理室内から基板を搬出する工程とを有し、前記第２のパージ工程では、前記処理室内の圧力を１５〜８０Ｐａ、該処理室内へのＨ2 流量を１〜２０Ｌ／ｍｉｎとすることを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記２）所望の膜厚になる迄、前記シラン系のガスを供給して膜を形成する工程から前記第２のパージを行う工程を繰返す付記１の半導体装置の製造方法。

（付記３）前記第２のパージを行う工程では、圧力を３０Ｐａ、Ｈ2 流量を５Ｌ／ｍｉｎとする付記１の半導体装置の製造方法。

本発明に於ける基板処理装置の縦断面図である。 本発明の実施の形態を示すフローチャートである。 本発明の実施に於ける設定条件を示す説明図である。 本発明の実施結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 処理室
２ 反応管
６ ボート
７ ウェーハ
９ ガス排気管
１１ ガスノズル
１２ ヒータ
１６ 処理炉
１８ 真空排気装置
２１ ガス供給管
２８ 第１ガス供給源
２９ 第２ガス供給源
３０ 第３ガス供給源
３２ ガス流量制御部
３３ ボートエレベータ
４０ 圧力制御部

Claims (1)

1. 基板上に選択的にシリコンエピタキシャル膜を成長させる半導体装置の製造方法であって、一部分にシリコン面が露出した基板を処理室内に搬入する工程と、シラン系のガスを供給して膜を形成する工程と、第１のパージを行う工程と、エッチングガスを供給してエッチングを行う工程と、第２のパージを行う工程と、前記処理室内から基板を搬出する工程とを有し、前記第２のパージ工程では、前記処理室内の圧力を１５〜８０Ｐａ、該処理室内へのＨ2 流量を１〜２０Ｌ／ｍｉｎとすることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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