JP2011066214A - 半導体装置の製造方法および基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】選択性を保ちながら十分厚いエピタキシャル膜を複数ウェハの面間で均一性よく成長させることができる半導体装置の製造技術を提供する。
【解決手段】表面に少なくともシリコン露出面とシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜の露出面とを備えるウェハ３０４を処理室３０１内に搬入する。まず、処理ガスを第１のガス供給系３０６から第１のガス供給管３０９を介して、処理室３０１の上部から導入する。そして、第１のガス排気管３１１と第１のガス排気系３０８を用いてガス排気を行う。その後、処理ガスを第２のガス供給系３０７から第２のガス供給管３１０を介して、処理室３０１の下部から導入する。この処理室３０１の上部と下部からのガス供給工程を１回以上実行し、ウェハ表面のシリコン露出面に選択的にエピタキシャル膜を成長させる。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置の製造技術に係り、例えはＭＯＳＦＥＴにおけるソース／ドレイン上などへの選択シリコンエピタキシャル成長するための半導体製造技術に関する。

ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）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おり、これらの問題を解決する方法の一つとしてトランジスタのソース／ドレイン領域にシリコン系エピタキシャル膜を選択成長させる方法がある（特許文献１参照）。

特開２００８−１０３５０８号公報

従来、デポガスやエッチングガスはボート上ウェハ保持領域に対して上方あるいは下方へ、又は、下方から上方へと一方向への流れでガスを供給している。通常、ボート上部と下部に位置しているウェハへの成膜量の均一性（面間均一性）の向上のため、温度に勾配をつけたり、デポガスやエッチングガスなどを別途途中供給する方法があったが、不純物ドープ膜など多元系の膜種の場合にはパラメータが複数あるため温度やガスの途中供給で均一な膜の成膜を確保することが難しい。

本発明の目的は、エピタキシャル膜を、複数ウェハの面間で均一性よく成長させることができる半導体製造技術を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においては、基板を所定の間隔を設けて積み重ねた状態で基板保持体にて保持しつつ処理室内に搬入する工程と、この処理室内における基板の積み重ね方向の一端側から、デポ系の第１の処理ガスとエッチング系の第２の処理ガスとを共に供給しつつ、基板の積み重ね方向の他端側から排気する第１の工程と、処理室内における他端側から、第１の処理ガスと第２の処理ガスとを共に供給しつつ一端側から排気する第２の工程と、を少なくとも含み、第１の工程と第２の工程とを１回以上実施し、基板表面に選択的にエピタキシャル膜を成長させる半導体装置の製造方法を提供する。

また、上記の目的を達成するため、本発明においては、基板を所定の間隔を設けて積み重ねた状態で基板保持体にて保持しつつ収容する処理室と、この基板を加熱する加熱機構と、処理室内における基板の積み重ね方向の一端側から、デポ系の第１の処理ガスとエッチング系の第２の処理ガスとを共に供給する第１のガス供給部と、処理室内における基板の積み重ね方向の他端側から、第１の処理ガスと第２の処理ガスとを共に供給する第２のガス供給部と、処理室内のガスを他端側から排出する第１のガス排出部と、処理室内のガスを一端側から排出する第２のガス排出部と、加熱機構、第１のガス供給部、第２のガス供給部、第１のガス排出部及び第２のガス排出部を制御する制御部とを備え、この制御部は、第１のガス供給部から第１の処理ガスと第２の処理ガスとを処理室内に供給しつつ第１のガス排出部から排出する第１の工程と、第２のガス供給部から第１の処理ガスと第２の処理ガスとを処理室内に供給しつつ第２のガス排出部から排出する第２の工程とを少なくとも１回以上実施するよう制御する基板処理装置を提供する。

本発明によれば、選択性を保ちながら十分厚いエピタキシャル膜を、複数ウェハの面間で均一性よく成長させることができる半導体製造方法、基板処理装置を提供できる。

本発明が適用される基板処理装置の一例を説明するための概略縦断面図である。 第１の実施例に係る基板処理装置の要部の構成を示す概略縦断面図である。 第１の実施例の基板処理の効果を説明するためのグラフ（その１）を示す図である。 第１の実施例の基板処理の効果を説明するためのグラフ（その２）を示す図である。

以下、図面に従い、本発明の実施例を説明するが、その説明に先立ち、本発明が適用される基板処理装置の概略構成を説明する。図１は半導体製造装置である基板処理装置の処理炉を説明するための概略縦断面図を示している。

図１に示すように、処理炉２０２は加熱機構としてのヒータ２０６を有する。このヒータ２０６の内側には、アウターチューブ２０５が配設されている。本構成において、アウターチューブ２０５は耐熱材料からなり、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の内側には、処理室２０１が形成されており、基板としてのウェハ２００をボート２１７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、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。このアウターチューブ２０５とマニホールド２０９により反応容器（反応管）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、バルブ１７７、１７８、１７９とガス流量制御装置としてのＭＦＣ（マスフローコントローラ）１８３、１８４、１８５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にそれぞれ接続されている。尚、本明細書において、バルブ１７７、１７８、１７９、ＭＦＣ１８３、１８４、１８５、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とを併せてガス供給系と呼ぶ場合がある。ＭＦＣ１８３、１８４、１８５及びバルブ１７７、１７８、１７９には、ガス流量制御部２３５が電気的に接続されている。ガス排気管２３１の下流側には、圧力センサ、圧力調整器としてのＡＰＣ（オートプレッシャーコントローラー）バルブ２４２を介して真空排気装置２４６が接続されている。尚、本明細書において、圧力センサ、ＡＰＣバルブ２４２、真空排気装置２４６とを併せて、ガス排気系と呼ぶ場合がある。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、ＡＰＣバルブ２４２の開度を調節することにより、処理室２０１内の圧力を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を貫通してボート２１７に接続されており、ボート２１７を回転させることでウェハ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、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２１７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いる。

基板保持体としてのボート２１７は、複数枚のウェハ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２１７の下部には、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及びその近傍に設置された温度センサ（図示せず）には、電気的に温度制御部２３８が接続されている。

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。

次に、上記構成に係る処理炉２０２を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として、ウェハ２００などの基板上に、エピタキシャルシリコン（Ｅｐｉ−Ｓｉ）膜を形成する方法について説明する。

複数枚のウェハ２００を保持したボート２１７は、処理室２０１内に搬入（ボートローディング）され、処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空排気される。また、処理室２０１内が所望の温度となるようにヒータ２０６により加熱される。続いて、回転機構２５４、回転軸２５５により、ボート２１７が回転されることでウェハ２００が回転される。

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、処理ガスとして、それぞれモノシランガス（ＳｉＨ₄）、塩素ガス（若しくは塩化水素ガス）、水素ガス（Ｈ₂）が封入されており、次いで、これら処理ガス供給源からそれぞれの処理ガスが供給される。ＭＦＣ１８３、１８４、１８５の開度が調節された後、バルブ１７６、１７７、１７８が開かれ、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。導入されたガスは、処理室２０１内を通り、ガス排気管２３１から排気される。処理ガスは、処理室２０１内を通過する際にウェハ２００と接触し、ウェハ２００の表面上にＥｐｉ−Ｓｉ膜が選択エピタキシャル成長される。予め設定された時間が経過すると、図示しない不活性ガス供給源から不活性ガスが供給され、処理室２０１内が不活性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。

その後、処理済のウェハ２００は、ボート２１７より取出される（ウェハディスチャージ）。

以上が、本発明が適用される基板処理装置の動作概要である。この装置構成を前提として、以下本発明の好適な実施例を説明する。なお、明細書において、処理ガスとして、デポジション用のガス（デポ系のガス）である第１の処理ガスとして、モノシランガス（ＳｉＨ₄）などのシラン系ガスやゲルマン系ガスを、エッチング用のガス（エッチング系のガス）である第２の処理ガスとして、塩素ガスおよび水素ガス（Ｈ₂）、塩化水素ガス、フッ素ガス等を例示するがそれに限定されるものでないことは言うまでもない。

図２に第１の実施例である基板処理装置の処理炉（処理室）部分の一構成例を示す。なお、図１に示した基板処理装置と共通する部分については、説明を省略する。図２に示すように、処理室３０１は、上部に第２のガス排気管３１２としての排気ポートを有するアウターチューブとしての反応管３０５と、第１のガス排気管３１１および第１、第２のガス供給管３０９、３１０が設けられたマニホールド３１５と、処理室３０１の下方側に設けられる予備室の上端プレート３１３を介してマニホールド３１５の下端部（炉口）を蓋し、処理室を密閉するシールキャップ３１５aと、処理基板であるウェハ３０４を多段に保持するウェハ保持体としてのボート３０３と、ボート３０３の回転機構３１４と、ヒータ素線と断熱部材とで構成される、ウェハを加熱する加熱機構としてのヒータ３１６、一端がマニホールド３１５に設置され、他端がボート３０３に戴置される複数枚のウェハ３０４の内、最上段のウェハ３０４よりも上方位置まで延在する第１のガス供給管３０９と、第１のガス供給管３０９に接続される、図１に示したガス供給系と同様の構成を備える第１のガス供給系３０６と、一端がマニホールド３１５に設置され、他端がボート３０３に戴置される複数枚のウェハ３０４の内、最下段のウェハ３０４よりも下方位置まで延在する第２のガス供給管３１０と、第２のガス供給管３１０に接続される、図１に示したガス供給系と同様の構成を備える第２のガス供給系３０７と、第２のガス排気管３１２に接続される、図１に示したガス排気系と同様な構成を備える第２のガス排気系３０２と、第１のガス排気管３１１に接続される、図１に示したガス排気系と同様な構成を備える第１ガス排気系３０８とから構成される。

なお、第１排気系３０８と第２排気系３０２のそれぞれにある真空排気装置の一つを削除すべく、真空排気装置とＡＰＣバルブとの間でそれぞれのガス排気管を合流させて、一つの真空排気装置に接続するよう構成しても良く、この場合、本明細書において、一つの真空排気装置をそれぞれに含めた構成として、第１排気系、第２排気系と呼ぶ場合がある。

続いて、本実施例の基板処理装置によるウェハ処理動作の一例を説明する。

未処理のウェハ３０４を保持したボート３０３は、上述したように昇降モータを駆動することにより、処理室３０１に挿入される。次に、上述の制御装置からの命令によりＡＰＣバルブを開けて、真空排気装置の排気により、処理室３０１内の雰囲気を排気し、処理室３０１の圧力を減圧する。そして、制御装置によりヒータを制御し、処理室３０１内の温度、ひいてはウェハ３０４の温度を所望の温度に維持する。その後、制御装置からの命令により、回転機構３１４が駆動され、ボート３０３を所定の回転数で回転する。

本実施例においては、モノシランやモノゲルマンなどのデポガスである第１の処理ガスや塩化水素や塩素などのエッチングガスである第２の処理ガスは、ＭＦＣなどでその流量が調整された後、処理室３０１に供給される。最初に第１のガス供給系３０６から供給されるこれらの処理ガスを、第１のガス供給管３０９により、処理室３０１の一端側である上部から導入し、処理室３０１の雰囲気は処理室の他端側である下部の第１のガス排気管３１１と第１の排気系３０８より排気される（実線の矢印参照）。なお、本明細書において、ガス供給管とガス供給系を併せてガス供給部と、ガス排気管とガス排気系を併せてガス排出部と呼ぶ場合がある。例えば、第１のガス供給系３０６と第１のガス供給管３０９を第１のガス供給部と、第２のガス排気管３１１と第２のガス排気系３０８を第２のガス排出部と呼ぶなどである。

その結果、供給されたガスはウェハ３０４表面への成膜およびエッチング等により、下部に行くにつれ消費される。そのため、上部に配置されるウェハ３０４表面へ形成される膜の成長量が多く、下部に行くにつれてウェハ３０４の表面へ形成される膜の成長量が減少する。

一定の処理時間の後、次に第１ガス供給系３０６からのガス供給を停止するとともに、第１ガス排気系３０２からの排気を停止する。その後、第２のガス供給系３０７から供給されるガスが、第２のガス供給管３１０により処理室３０１の下部から導入され、処理室３０１の雰囲気は上部の第２のガス排気管３１２と第２の排気系３０２で構成される第２のガス排出部より排気される（点線矢印参照）。その結果、供給されたガスはウェハ３０４表面への成膜およびエッチングにより、上部に行くにつれて消費される。そのため、下部に配置されるウェハ３０４表面へ形成される膜の成長量が多く、上部に行くにつれてウェハ３０４表面へ形成される膜の成長量が減る。

本実施例によれば、第１のガス供給系３０６と第１のガス供給管３０９とで構成される第１のガス供給部、第１のガス排気管３１１と第１のガス排気系３０８とで構成される第１のガス排出部を用いて基板へ成膜する工程と、第２のガス供給系３０７と第２のガス供給管３１０とで構成される第２のガス供給部、第２のガス排気管３１２と第２のガス排気系３０２とで構成される第２のガス排出部を用いて基板に成膜する工程とを少なくとも１回以上実施、又は複数回交互に実施し、ガスの流れ方の上流、下流を逆にすることで、ボート３０３上の複数の処理基板であるウェハ３０４の面間の膜厚均一性を容易に確保することができる。

本実施例の効果を説明するため、参考例として、図３Ａに第１のガス供給部、第１のガス排気部を用い、第２のガス供給部、第２のガス排気部を用いずにウェハに成膜した場合、図３Ｂに本実施例にかかる、第１のガス供給部、第１のガス排気部を用いてウェハに成膜した後に、第２のガス供給部、第２のガス排気部を用いてウェハに成膜した場合についてのデータを示す。図３Ａでは、下部に行くにつれて膜厚は減少し、面間の成膜量の均一性は±２．６５％となる。しかし、図３Ｂの本実施例の場合では、面間の均一性は±０．９４％と改善される。好適には、本実施例の装置においては、これらの処理をウェハ上に所望の膜厚が得られるまで繰り返す。

上述のように、デポ系のガスやエッチング系のガスを上下から繰り返し供給することで、パラメータが複数ある多元系の膜種においても、容易にウェハの面間均一性を確保することが可能になる。

さらに、面間均一性確保が処理枚数の半分の場合、好ましくは、１００バッチにおいて、５０枚まで面間均一性確保が必要な場合、例えば、第１、第２のガス供給管３０９、３１０の中間の長さを有するようにポートの中央部にまで延在するミドルサイズのノズル（ガス供給管）をさらに設けて、このノズルを用いてガスを供給し、排気を第１の排出部からとした後に、第２の排出部からとすることを交互に繰り返す、あるいは第１、第２の排出部から同時に排気することによって、面間均一性の確保することが可能になる。

以下に、本実施例の基板処理装置を用いてウェハを処理する処理条件の一例について説明する。本実施例において、好ましい条件は成長温度５００〜７００°Ｃ、圧力３００Ｐａ以下で、デポガスとしてはモノシランガス流量１〜３００ｓｃｃｍ、モノゲルマンガス流量１〜５００ｓｃｃｍ、エッチングガスとしては、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。

なお、本実施例は、以下の実施の態様も含む。

本発明においては、より好適な形態として、表面に少なくともシリコン露出面とシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜の露出面とを備える基板を所定の間隔を設けて積み重ねた状態で基板保持体にて保持しつつ処理室内に搬入する工程と、この処理室内における基板の積み重ね方向の一端側から、少なくともシリコンを含む第１の処理ガスとエッチング系の第２の処理ガスとを共に供給しつつ、基板の積み重ね方向の他端側から排気する第１の工程と、処理室内における他端側から、少なくともシリコンを含む第１の処理ガスとエッチング系の第２の処理ガスとを共に供給しつつ、一端側から排気する第２の工程とを少なくとも含み、第１の工程と第２の工程とを１回以上実施し、基板表面のシリコン露出面に選択的にエピタキシャル膜を成長させる半導体装置の製造方法を提供する。

また、本発明においては、より好適な形態として、表面に少なくともシリコン露出面とシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜の露出面とを備える基板を所定の間隔を設けて積み重ねた状態で基板保持体にて保持しつつ収容する処理室と、基板を加熱する加熱機構と、処理室内における基積み重ね方向の一端側から、少なくともシリコンを含む第１の処理ガスとエッチング系の第２の処理ガスとを共に供給する第１のガス供給部と、処理室内における基板の積み重ね方向の他端側から、少なくともシリコンを含む第１の処理ガスとエッチング系の第２の処理ガスとを共に供給する第２のガス供給部と、処理室内のガスを前記他端側から排出する第１のガス排出部と、処理室内のガスを前記一端側から排出する第２のガス排出部と、少なくとも第１のガス供給部から少なくともシリコンを含む第１の処理ガスとエッチング系の第２の処理ガスとを処理室内に供給しつつ第１のガス排出部から排出する第１の工程と、第２のガス供給部から少なくともシリコンを含む第１の処理ガスとエッチング系の第２の処理ガスとを処理室内に供給しつつ第２のガス排出部から排出する第２の工程とを、少なくとも１回以上実施するように加熱機構、第１のガス供給部、第２のガス供給部、第１のガス排出部及び第２のガス排出部を制御する制御部を備える基板処理装置を提供する。

本発明は半導体製造技術、例えば、ＭＯＳＦＥＴにおけるソース／ドレイン上への選択シリコンエピタキシャル成長するための製造技術として有用である。

３０１…処理室
３０２…第２のガス排気系
３０３…ボート
３０４…ウェハ
３０５…反応管
３０６、３０７…第１、第２のガス供給系
３０８…第１のガス排気系
３０９、３１０…第１、第２のガス供給管
３１１、３１２…第１、第２のガス排気管
３１３…上端プレート
３１４…回転機構
３１５…マニホールド
３１５a…シールキャップ
３１６…ヒータ。

Claims (2)

1. 半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
   基板を所定の間隔を設けて積み重ねた状態で基板保持体にて保持しつつ処理室内に搬入する工程と、
   前記処理室内における前記基板の積み重ね方向の一端側から、デポ系の第１の処理ガスとエッチング系の第２の処理ガスとを共に供給しつつ、前記基板の積み重ね方向の他端側から排気する第１の工程と、
   前記処理室内における前記他端側から、前記第１の処理ガスと前記第２の処理ガスとを共に供給しつつ前記一端側から排気する第２の工程と、
   を少なくとも含み、前記第１の工程と前記第２の工程とを１回以上実施し、前記基板表面に選択的にエピタキシャル膜を成長させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 基板を所定の間隔を設けて積み重ねた状態で基板保持体にて保持しつつ収容する処理室と、
   前記基板を加熱する加熱機構と、
   前記処理室内における前記基板の積み重ね方向の一端側から、デポ系の第１の処理ガスとエッチング系の第２の処理ガスとを共に供給する第１のガス供給部と、
   前記処理室内における前記基板の積み重ね方向の他端側から、前記第１の処理ガスと前記第２の処理ガスとを共に供給する第２のガス供給部と、
   前記処理室内のガスを前記他端側から排出する第１のガス排出部と、
   前記処理室内のガスを前記一端側から排出する第２のガス排出部と、
   前記加熱機構、前記第１のガス供給部、前記第２のガス供給部、第１のガス排出部及び第２のガス排出部を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記第１のガス供給部から前記第１の処理ガスと前記第２の処理ガスとを前記処理室内に供給しつつ前記第１のガス排出部から排出する第１の工程と、前記第２のガス供給部から前記第１の処理ガスと前記第２の処理ガスとを前記処理室内に供給しつつ前記第２のガス排出部から排出する第２の工程とを、少なくとも１回以上実施するよう制御することを特徴とする基板処理装置。

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