JP2013197307A5

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Description

半導体装置の製造方法、基板処理方法および基板処理装置

本発明は、半導体装置の製造方法、基板処理方法および基板処理装置に関する。

ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体装置（デバイス）を製造する工程においては、例えば減圧ＣＶＤ法（化学気相成長法）によって、縦型減圧ＣＶＤ装置を用いて基板上にシリコン薄膜を形成することが行われている（例えば、特許文献１参照）。近年、ＬＳＩのＣＰＵ（セントラルプロセッシングユニット）やＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）の微細化に伴い、デバイス上部にシリコン膜を成膜する要求が高まっている。

国際公開第２００６／０４９２２５号パンフレット

一方で、従来、ＳｉＯ_２等の絶縁膜上にアモルファス、エピタキシャル若しくはポリ状態のシリコン膜を形成するには、絶縁膜上にシリコン原子を結晶核としてシード層を形成したうえで、密度の高い結晶核を形成し、これを成長の核として成長させる必要がある。しかし、シリコン膜の原料ガスにモノシラン（ＳｉＨ_４）などのシラン系ガスを単独で用いた場合、シリコン原子を結晶核として絶縁膜上にシード層を形成することが難しく、絶縁膜の上にアモルファス、エピタキシャル若しくはポリ状態のシリコン膜を成膜することが困難であった。

本発明の目的は、アモルファス、エピタキシャル若しくはポリ状態のシリコン膜を絶縁膜の上に成膜することを可能とする半導体装置の製造方法、基板処理方法および基板処理装置を提供することにある。

本発明の一態様によれば、基板を処理室に搬送する搬送工程と、前記処理室内に少なくともシリコン元素及び塩素元素を含有する第１ガスを供給する第１工程と、前記処理室内に前記第１ガスと異なる種類の少なくともシリコン元素を含有する第２ガスを供給する第２工程と、を有し、前記第１工程と前記第２工程とを少なくとも１回行うことにより、前記基板上にアモルファス、エピタキシャル、または、ポリ状態のシリコン膜を形成する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明の他の態様によれば、基板を処理する処理室と、前記処理室内に少なくともシリコン元素及び塩素元素を含有する第１ガスを供給する第１ガス供給ラインと、前記処理室内に前記第１ガスとは異なる種類の少なくともシリコン元素を含有する第２ガスを供給する第２ガス供給ラインと、前記処理室内を加熱する加熱装置と、前記加熱装置が前記処理室内を加熱維持しつつ、前記第１ガス供給ラインが前記処理室内へ前記第１ガスを供給し、前記第２ガス供給ラインが前記処理室内へ前記第２ガスを供給し、前記第１ガスの供給と、前記第２ガスの供給とを少なくとも１回行うことにより、前記基板にアモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜を形成するように制御するコントローラとを有する基板処理装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、基板を処理室に搬送する搬送工程と、前記処理室内に少なくともシラン系の第１ガスを供給する第１工程と、前記処理室内に前記第１のガスと異なるシラン化合物系の第２ガスを供給する第２工程と、を有し、前記第１工程と前記第２工程とを少なくとも１回行うことにより、前記基板上にアモルファス、エピタキシャル、または、ポリ状態のシリコン膜を形成する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、アモルファス、エピタキシャル若しくはポリ状態のシリコン膜を絶縁膜の上に成膜することができる。

本発明の一実施の形態に係るＣＶＤ装置の反応炉を示す正面断面図である。本発明の一実施の形態に係る基板処理工程のフロー図である。本発明の一実施の形態に係る基板処理工程中の主要なガス供給タイムチャートである。本発明の一実施の形態に係る成膜の模式図であって、（ａ）はＳｉの結晶核の成長過程、（ｂ）はＳｉの混合成長過程、（ｃ）は気相反応成長後のＳｉの成長過程、（ｄ）はＳｉの交互成膜方式の成長過程を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係る成膜ガス供給タイムチャートである。本発明の第２の実施の形態に係る成膜ガス供給タイムチャートである。本発明の第３の実施の形態に係る成膜ガス供給タイムチャートである。本発明の第４の実施の形態に係る成膜ガス供給タイムチャートである。本発明の第５の実施の形態に係る成膜ガス供給タイムチャートである。本発明の第６の実施の形態に係る成膜ガス供給タイムチャートである。

以下に、本発明の一実施の形態について説明する。

［基板処理装置の構成］
本実施の形態に係る基板処理装置は、ＩＣの製造方法にあってウエハにＣＶＤ膜を形成するバッチ式縦型ホットウォール型減圧ＣＶＤ装置（以下、ＣＶＤ装置という。）として構成されている。

（処理室）
図１に示されているように、ＣＶＤ装置は筐体２を備えており、筐体２には基板処理用治具としてのボート７が待機するための待機室３が形成されている。好ましくは待機室３は大気圧未満の圧力を維持可能な気密性能を有する密閉室に構築されていることが良く、反応炉１０の前段に設置された予備室を構成している。これにより待機室３では真空引きまたは、窒素パージまたは真空引きと窒素パージの実施が繰り返されることで酸素、水分などが除去され、これらの酸素、水分などが除去された待機室３を経由して基板が反応炉１０内に導入されるので、酸素、水分などによる基板への影響を低減することができる。

図１に示されているように、筐体２の上には基板としてのウエハ６を処理する反応炉１０が、ボート搬入搬出口８に対向するように設置されている。

反応炉１０は例えば４〜５ゾーンに分かれた加熱装置としてのヒータユニット１１を備えており、ヒータユニット１１の内部にはプロセスチューブ１２が設置されている。プロセスチューブ１２は石英または炭化シリコンで構成されて、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されており、ヒータユニット１１と同心円状に配置されている。

プロセスチューブ１２の円筒中空部によって処理室１３が構成されている。プロセスチューブ１２の下にはマニホールド１４が配置されており、プロセスチューブ１２はマニホールド１４を介して筐体２の上に垂直に立設されている。

昇降台３３の上面にはシールキャップ４３がシールリングを介して設置されている。シールキャップ４３は処理室１３の炉口になる筐体２のボート搬入搬出口８をシールリングを介してシールするように構成されている。

（ボート）
ボート７は複数枚（例えば、２５枚、５０枚、７５枚、１００枚、２００枚等）のウエハ６をその中心を揃えて水平に保持するように構成されている。そして、ボート７はプロセスチューブ１２の処理室１３に対してボートエレベータによる昇降台３３の昇降に伴って搬入搬出するように構成されている。

（排気系）
マニホールド１４には、排気系として処理室１３内を排気するための排気ライン１５の一端が接続されている。排気ライン１５の他端は反応炉１０内を真空排気する真空ポンプとしてのメカニカルブースタポンプ１６およびドライポンプ１７に接続されている。

（ガス供給系）
マニホールド１４における排気ライン１５の例えば接続部側とその反対側の部位には、各種のガスを処理室１３内に供給する第１ノズル１８と第２ノズル２８が垂直に敷設されている。第１ノズル１８及び第２ノズル２８はそれらの下端部がマニホールド１４に固定されることにより垂直に支持されている。

ウエハ６の配列方向に伸びた第１ノズル１８の第１ガス供給口は、例えば処理室１３の一端側となる上端部に配置されており、第１ノズル１８の第１ガス供給口から吹き出したガスは処理室１３の上端部から処理室１３内を流下するようになっている。

ウエハ６の配列方向に伸びた第２ノズル２８の第２ガス供給口は、ウエハ６を処理する処理室１３の基板処理領域に配置されており、第２ノズル２８の第２ガス供給口から吹き出したガスは処理室１３の基板処理領域から処理室１３内を流下するようになっている。

第１ノズル１８には、反応炉１０内に少なくともシリコン元素及び塩素元素含有ガス（以下、第１ガスという）を供給するシリコン及び塩素含有ガス供給ライン（以下、第１ガス供給ラインという）Ｌ１と、反応炉１０内に例えば窒素ガスなどの不活性ガス（以下、第６ガスという）を供給する不活性ガス供給ライン（以下、第６ガス供給ラインという）Ｌ６と、がそれぞれ並列に接続されている。

第１ガス供給ラインＬ１の上流側端は第１のガスを供給するガス供給源（以下、第１ガス供給源という）Ｔ１に接続されており、第１ガス供給ラインＬ１の途中には開閉弁（以下、第１開閉弁という）Ｖ１および流量制御装置（以下、第１流量制御器という）Ｍ１が、第１ガス供給源Ｔ１側から順に介設されている。第１ガスは成膜ガスとして機能する。

第６ガス供給ラインＬ６の上流側端は第６のガスを供給するガス供給源（以下、第６ガス供給源という）Ｔ６に接続されており、第６ガス供給ラインＬ６の途中には開閉弁（以下、第６開閉弁という）Ｖ６および流量制御器（以下、第６流量制御器という）Ｍ６が、第６ガス供給源Ｔ６側から順に介設されている。第６ガス（不活性ガス）は、処理室１３内や第１ガス供給ラインＬ１をパージするガスや、第１ガスを希釈して運搬するキャリアガスとして機能する。

第２ノズル２８には、反応炉１０内にシラン系ガス（以下、第２１ガスという）を供給するシラン系ガス供給ライン（以下、第２１ガス供給ラインという）Ｌ２１と、反応炉１０内に第２１ガス以外のシラン系化合物ガス（以下、第２２ガス）を供給するシラン系化合物ガス供給ライン（以下、第２２ガス供給ライン）Ｌ２２と、反応炉１０内に例えば水素ガス（以下、第４ガスという）を供給する水素ガス供給ライン（以下、第４ガス供給ラインという）Ｌ４と、反応炉１０内に例えば窒素ガスなどの不活性ガス（以下、第５ガスという）を供給する不活性ガス供給ライン（以下、第５ガス供給ラインという）Ｌ５と、がそれぞれ並列に接続されている。第２１ガス及び第２２ガス（以下、総称して第２ガスという）は、第１ガスとは異なる種類の少なくともシリコン元素を含有するガスである。なお、第２１ガス供給ラインＬ２１及び第２２ガス供給ラインＬ２２を総称して第２ガス供給ラインＬ２という。

第２１ガス供給ラインＬ２１の上流側端はシラン系ガス供給源Ｔ２１（以下、第２１ガス供給源という）に接続されており、第２１ガス供給ラインＬ２１の途中には開閉弁（以下、第２１開閉弁という）Ｖ２１および流量制御器（以下、第２１流量制御器という）Ｍ２１が、第２１ガス供給源Ｔ２１側から順に介設されている。第２１ガス（シラン系ガス）は第２の前処理ガス若しくは成膜ガスとして機能する。

第２２ガス供給ラインＬ２２の上流側端はシラン系化合物ガス供給源Ｔ２２（以下、第２２ガス供給源という）に接続されており、第２２ガス供給ラインＬ２２の途中には開閉弁（以下、第２２開閉弁という）Ｖ２２および流量制御器（以下、第２２流量制御器という）Ｍ２２が、第２２ガス供給源Ｔ２２側から順に介設されている。第２２ガス（シラン系化合物ガス）は第２の前処理ガス若しくは成膜ガスとして機能する。

第４ガス供給ラインＬ４の上流側端は例えば水素ガスを供給するガス供給源Ｔ４（以下、第４ガス供給源という）に接続されており、第４ガス供給ラインＬ４の途中には開閉弁（以下、第４開閉弁という）Ｖ４および流量制御器（以下、第４流量制御器という）Ｍ４が、第４ガス供給源Ｔ４側から順に介設されている。

第５ガス供給ラインＬ５の上流側端は例えば窒素ガス等の不活性ガスを供給するガス供給源Ｔ５（以下、第５ガス供給源という）に接続されており、第５ガス供給ラインＬ５の途中には開閉弁（第５開閉弁という）Ｖ５および流量制御器（以下、第５流量制御器という）Ｍ５が、第５ガス供給源Ｔ５側から順に介設されている。第５ガス（不活性ガス）は、処理室１３内や第２１ガス供給ラインＬ２１、第２２ガス供給ラインＬ２２、第４ガス供給ラインＬ４をパージするガスや、第２１ガス、第２２ガスを希釈して運搬するキャリアガスとして機能する。

（コントローラ）
第１ガス供給ラインＬ１の第１開閉弁Ｖ１および第１流量制御器Ｍ１、第２１ガス供給ラインＬ２１の第２１開閉弁Ｖ２１および第２１流量制御器Ｍ２１と、第２２ガス供給ラインＬ２２の第２２開閉弁Ｖ２２および第２２流量制御器Ｍ２２、第４ガス供給ラインＬ４の第４開閉弁Ｖ４および第４流量制御器Ｍ４、第５ガス供給ラインＬ５の第５開閉弁Ｖ５および第５流量制御器Ｍ５、第６ガス供給ラインＬ６の第６開閉弁Ｖ６および第６流量制御器Ｍ６は、コントローラ１９に電気的に接続されている。

具体的には、コントローラ１９は、流量制御器Ｍ１、Ｍ２１、Ｍ２２、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６を流量制御しつつ、それぞれ開閉弁Ｖ１、Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を開閉制御することにより、処理室１３内に所定のタイミングにて所定の流量のガス供給を開始し、或いはガス供給を停止するようにしている。また、コントローラ１９は、温度センサにより検出された温度情報に基づきヒータユニット１１への通電具合を調整し、処理室１３内及びウエハ６表面が所定のタイミングにて所定の温度となるようにしている。

また、コントローラ１９は、成膜処理において、処理室１３内に第２２ガスを供給し、この第２２ガスを供給後、処理室１３内に第２１ガスを供給して、ウエハ６上に、アモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜を形成することもある。

また、コントローラ１９は、この他にもメカニカルブースタポンプ１６や、ドライポンプ１７やＣＶＤ装置を構成するその他の各部に電気的に接続されており、例えばウエハ６を搬送する搬送手段を制御してウエハ６を処理室１３内に搬送したり、ウエハ６を搬送する搬送手段を制御してウエハ６を処理室１３内から処理室１３外へ搬出したり、処理室１３内を減圧したり、大気圧に復帰したりするようにしている。

他の実施の形態によっては、コントローラ１９は、成膜処理前に処理室１３内を加熱維持しつつ、第５ガス供給ラインＬ５を制御して、処理室１３内に第５ガス（不活性ガス（Ｎ_２ガス））を供給しつつ排気して、処理室１３内に付着した水分を脱離させる水脱離処理を行うこともある。なお、この第５ガスは、水脱離処理以降の処理において、常に供給し続けるようにすることもある。

［基板処理工程］
以下、本発明の一実施の形態であるＩＣ製造方法の一工程としての基板処理工程を、前記構成に係るＣＶＤ装置を使用してウエハ６上にシリコン膜を形成する場合について、図２に示されたプロセスフロー及び図３に示されたガス供給タイミングにそって説明する。

（ウエハ搬送工程）
図２に示されたウエハ搬送工程（Ｓ２０１）において、シールキャップ４３を介して昇降台３３に支持されたボート７が上昇して、プロセスチューブ１２の処理室１３内にボート搬入搬出口８から搬入（ボートローディング）される。ボート７が上限に達すると、シールキャップ４３の上面の周辺部がシールリングを介してボート搬入搬出口８をシール状態に閉塞するため、プロセスチューブ１２の処理室１３は気密に閉じられた状態になる。

（温度及び減圧工程）
ウエハ搬送後、図２に示された昇温及び減圧工程（Ｓ２０３）において、処理室１３内の温度が所定の温度となるようにヒータユニット１１によって処理室１３内が加熱される。また、処理室１３内がメカニカルブースタポンプ１６およびドライポンプ１７によって排気ライン１５を通じて真空排気される。これにより、処理室１３内の圧力は、大気圧よりも低い圧力になるように制御される。また、ボート７が所定の回転速度で回転させられる。

（水脱離工程）
温度及び減圧工程の後に水脱離工程（Ｓ２０５）が行われると良い。このステップでは、第６開閉弁Ｖ６若しくは第５開閉弁Ｖ５が開かれる。真空排気した状態の処理室１３内に、第６ガス供給源Ｔ６の第６ガス（窒素ガス）若しくは第５ガス供給源Ｔ５の第５ガス（窒素ガス）が、第６供給ラインＬ６、第６開閉弁Ｖ６、第６流量制御器Ｍ６、若しくは第５供給ラインＬ５、第５開閉弁Ｖ５、第５流量制御器Ｍ５を通じて、第１ノズル１８の第１ガス供給口若しくは第２ノズル２８の第２ガス供給口から供給され（図３）、排気ライン１５から排気される。このようにして、処理室１３内に不活性ガス（Ｎ_２ガス）を供給しつつ排気して、処理室１３内に付着した水分を脱離させる。なお、真空排気した状態の処理室１３内への窒素ガスの供給は、水脱離工程以後維持される。また、前処理として、基板表面を清浄化するために、水素ガスを供給しても良い。

（成膜処理工程）
次に成膜温度及び処理圧力を安定化させた後、図２に示す成膜処理工程（Ｓ２１１）において、処理室１３内への第１ガスと第２ガスとの原料ガス供給が少なくとも１回以上実施される（図３）。ここで、処理室１３内への第１ガスと第２ガスとの原料ガス供給が少なくとも１回以上実施される場合には、第１ガスと第２ガスとが前後して供給される場合と、第１ガスと第２ガスとが交互に供給される場合とが含まれる。なお、処理室１３内に第１ガスとこの第１ガスと異なる種類の第２ガスとの同時供給を実施してもよい。

これらのガスは第１開閉弁Ｖ１、第２１開閉弁Ｖ２１、第２２開閉弁Ｖ２２及び第１流量制御器Ｍ１、第２１流量制御器Ｍ２１、第２２流量制御器Ｍ２２がコントローラ１９によって制御されることにより、第１ガス供給ラインＬ１、第２１ガス供給ラインＬ２１、第２２ガス供給ラインＬ２２を介して第１ノズル１８の第１ガス供給口、第２ノズル２８の第２ガス供給口から処理室１３内に適宜供給される。

なお、本実施形態に係る成膜処理工程（Ｓ２１１）の処理条件としては、
処理温度：室温以上４５０℃以下、好ましくは３５０℃以上４５０℃以下、より好ましくは上限温度が４００℃以下
処理圧力：１３Ｐａ以上１３３３０Ｐａ以下
モノシランガス（第２ガス）供給流量：１０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
ジクロロシランガス（第１ガス）供給流量：１０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
が例示される。

この成膜処理工程では、シリコン元素含有ガスに加えて、初期成膜が容易なシリコン元素及び塩素元素含有ガスを用いるので、ウエハ６上に構成されている膜上、例えば、絶縁膜上にシリコン核が形成され、所定の膜厚のシード層を形成することができるので、ウエハ上の絶縁膜に大気圧未満の圧力、４５０℃以下の低温で、アモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜を容易に形成することができる。また、この成膜処理工程の際、ボート７が回転させられることにより、原料ガスがウエハ６の表面に均一に接触するため、ウエハ６の上の絶縁膜上に、アモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜が均一に形成される。アモルファスシリコン膜は主にシリコン元素含有ガス（シラン系ガス）を連続して供給することにより得られ、ポリシリコン膜やエピタキシャル膜は主にシリコン元素及び塩素元素含有ガスとシラン系ガスとを交互に供給することにより得られる。なお、一般的に、例えばエピタキシャルシリコン膜は４００℃〜６００℃、ポリシリコン膜は４００℃〜６５０℃、アモルファスシリコン膜は３５０℃〜５５０℃でそれぞれ得られる。なお、成膜処理工程のガス供給タイミングは、後に図５〜図１０に沿って詳細に説明する。

（降温及び大気圧復帰工程）
予め設定された処理時間経過後、図２に示す降温及び大気圧復帰工程（Ｓ２１３）において、第１開閉弁Ｖ１、第２１開閉弁Ｖ２１、第２２開閉弁Ｖ２２が閉じられることにより、原料ガスの処理室１３内への供給が停止され、サイクルパージステップが実施される。このサイクルパージステップにおいて、第５開閉弁Ｖ５、第６開閉弁Ｖ６が開かれ、処理室１３内および第１ノズル１８、第２ノズル２８内が窒素ガスによってサイクルパージされる。続いて、処理室１３内の温度を自然冷却により所定温度まで降温し、処理室１３への窒素ガスの供給によって処理室１３内が大気圧まで戻される。

（ウエハ搬送工程）
降温及び大気圧復帰工程後、図２に示すウエハ搬送工程（Ｓ２１５）において、シールキャップ４３およびボート７を支持した昇降台３３が下降されることにより、処理済みウエハ６を保持したボート７が待機室３に搬出（ボートアンローディング）される。

以降、前述した作用が繰り返されることにより、ウエハ６が複数枚（例えば、２５枚、５０枚、７５枚、１００枚、２００枚等）ずつ、ＣＶＤ装置によってバッチ処理されて行く。

以下、後に詳細に説明するとした成膜処理工程のガス供給タイミングについて、図５〜図１０に例示した第１〜第６の実施の形態を用いて説明する。

（第１の実施の形態の成膜処理工程のガス供給タイミング（図５））
図５に示すように、第１ノズル１８の第１ガス供給口から処理室１３内に第１ガス（シリコン元素及び塩素元素含有ガス（塩素含有シラン系ガス））を所定時間供給し、この第１ガスを供給後、第２ノズル２８のガス供給口から処理室１３内に第２ガス（シリコン元素含有ガス（シラン系ガス））を前記所定時間よりも長い時間継続して供給する。図４（ａ）に示すように、絶縁膜上にシリコン膜を形成するには、まず、シリコン原子を結晶核として形成することで、絶縁膜上にシリコン膜を形成しやすい状態にする。次に、密度の高い結晶核を形成し、これを成長の核として成長させる。しかし、５００℃以下の成膜温度では、モノシラン（ＳｉＨ_４）などのシラン系ガスを用いた場合、Ｓｉ膜を絶縁膜上に形成させるのは困難である。しかし、塩素含有シラン系ガスを先に流すことにより、図４（ｄ）に示すように、Ｃｌ元素を含むガス種が初期成膜に寄与して、絶縁膜表面にＣｌ元素を含むシード層が形成され、このシード層のＣｌ元素がシラン系ガス、例えばモノシランガス（ＳｉＨ_４）のＳｉで置換されるので、絶縁膜上にアモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜が安定して成膜する。ここで、シリコン元素及び塩素元素含有ガスは、例えば、ジクロロシラン（ＤＣＳ：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ：Ｓｉ_２Ｃｌ_６）などである。このシリコン元素及び塩素ガス含有ガスと異なる種類のシリコン元素含有ガスは、例えば、モノシラン（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、トリシラン（Ｓｉ_３Ｈ_８）などの何れか１種である。

従って、処理室１３内に第１ノズル１８から塩素含有シリコン系ガスを導入し、塩素含有シリコン系ガスを導入した後、第２ノズル２８からシリコン系ガスを導入して成膜すると、シリコン基板表面や絶縁膜表面にＣｌ元素を含むシード層が形成された後に、シラン系ガスによりＣｌ元素がＳｉ元素に置換され、低温で分解しない場合にも成膜することができるようになる。したがって、絶縁膜上にアモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜を低温で成膜できる。したがって、ノンプラズマで成膜を実施できるので、プラズマ発生装置などの高価な装置を設けずに済む。
なお、ガス供給条件としては、
モノシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
ジクロロシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
モノシランガス供給時間：５秒以上６０分以内
が例示される。

（第２の実施の形態の成膜処理工程のガス供給タイミング（図６））
第２の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、図６に示すように、処理室１３内へのＣｌ元素を含むシラン系ガス種の供給とシラン系ガスの供給を交互に実施している点である。具体的には、処理室１３内にシラン系ガスと塩素含有シラン系ガスとを、第２ノズル２８の第２ガス供給口と第１ノズル１８の第１ガス供給口とから交互に供給している点である。この場合、シラン系ガスと塩素含有シラン系ガスとのガス供給の間に、Ｎ_２等の不活性ガスを第５ガス供給ラインＬ５と第６ガス供給ラインＬ６とから処理室１３内に供給して、第２ガス供給ラインＬ２、第１ガス供給ラインＬ１、及び処理室１３内に残留する原料ガスをパージすることが好ましい。Ｃｌ元素を含むガス種とシラン系ガスとを用いて、これらのガスを交互に供給すると、図４（ｄ）に示すように、Ｃｌ元素を含むガス種により基板表面にＣｌ元素を含むシード層が形成され、このシード層のＣｌ元素がシラン系ガス、例えばモノシランガス（ＳｉＨ_４）のＳｉで置換され、このシード層の形成、置換が交互に繰り返されることによって、絶縁膜上にアモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜が低温で安定して成膜する。
このとき、好ましくは、塩素含有シランガスをはじめに供給することが好ましい。これにより、塩素原子によって基板上に存在する自然酸化膜や不純物等を除去することができる。
なお、図６では、ガス供給時間は同じ時間供給しているが、これに限らず、それぞれのガスの供給時間を異なるように設定しても良く、また、ガスの供給するタイミングが重なるようにガス供給を実施しても良い。

Ｃｌ元素を含むシラン系ガス種とシラン系ガスとは、共に、２秒から１０分の範囲で供給する。２種類のガスを異なるタイミングで供給する際に、流量率、時間を変化させることで、低温条件下で安定して気相成長を抑制し、薄膜シリコン膜を均一性良く得ることができる。

本実施の形態によれば、塩素含有シラン系ガスを導入後、シリコン基板上や絶縁膜上にＣｌ元素を含むシード層が形成され、後にシラン系ガスによりＣｌ元素がＳｉ元素に置換し、これを繰り返すことにより、低温で容易にガスが分解しない場合にも成膜することができるようになる。
なお、ガス供給条件としては、
モノシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
ジクロロシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
モノシランガス供給時間：２秒以上１０分以下
ジクロロシランガス供給時間：２秒以上１０分以下
が例示される。

（第３の実施の形態の成膜処理工程のガス供給タイミング（図７））
第３の実施の形態が、第２の実施の形態と異なる点は、図７に示すように、処理室１３内へのＣｌ元素を含むシラン系ガス種の供給と、シラン系ガス及びシラン系化合物ガスの供給とを実施している点である。具体的には、処理室１３内にシラン系化合物ガス（ジシラン）とシラン系ガス（モノシラン）と塩素含有シラン系ガス（ジクロロシラン）とを交互に供給している点である。この場合、シラン系化合物ガス、シラン系ガス、及び塩素含有シラン系ガスの供給の間にＮ_２等の不活性ガスを処理室１３内に供給して、第２１ガス供給ラインＬ２１、第２２ガス供給ラインＬ２２、処理室１３内に残留する原料ガスをパージすることが好ましい。第３の実施の形態のように、Ｃｌ元素を含むガス種とシラン系ガスとシラン系化合物ガスとを用いて、これらのガスを交互に供給すると、Ｃｌ元素を含むガス種によりシード層が絶縁膜上に形成され、このシード層のＣｌ元素がシラン系ガス、例えばモノシランガス（ＳｉＨ_４）のＳｉで置換され、シード層の形成、置換が交互に繰り返されることによって、絶縁膜上にアモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜がより安定し、より低温で成膜する。
なお、ガス供給条件としては、
モノシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
ジシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
ジクロロシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
モノシランガス供給時間：２秒以上１０分以下
ジシランガス供給時間：２秒以上１０分以下
ジクロロシランガス供給時間：２秒以上１０分以下
が例示される。
なお、本実施の形態では、塩素含有シラン系ガス、シラン系ガス及びシラン系化合物ガスを交互に供給したが、塩素含有シラン系ガスを供給した後、シラン系ガス及びシラン系化合物ガスを同時に供給しても良い。

（第４の実施の形態の成膜処理工程のガス供給タイミング（図８））
上述した第１〜第３の実施の形態は、いずれも２種類の原料ガスのうちの１種に塩素含有シラン系ガスを用いたが、第４の実施の形態では、塩素含有シラン系ガスを用いず、シラン系ガス（モノシラン）とシラン系化合物ガス（ジシラン、トリシラン）との２種類のガスを用いた場合を例示する。

絶縁膜が形成されたウエハ６を処理室１３内に搬送後、成膜処理を行うために、処理室１３内にシラン系化合物ガスを供給し、このシラン系化合物ガスを供給後、処理室１３内にシラン系ガスを供給している。ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、トリシラン（Ｓｉ_３Ｈ_８）などのシラン系化合物ガスと、モノシラン（ＳｉＨ_４）などのシラン系ガスとを用いて、図８に示すように、シラン系化合物ガスを先に供給し、シラン系ガスを後に供給すると、図４（ｃ）に示すように、ジシランガス、トリシランなどは気相中で分解し、シード層が形成される。シード層形成後、シラン系ガス、例えばモノシランガス（ＳｉＨ_４）などで積層成膜すると、絶縁膜上にアモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜が安定して成膜する。なお、この成膜処理工程において、成膜されるシリコン膜を導電型とするために、ｐ型ドーパントであるホウ素含有ガスを供給するようにしてもよい。

このように第４の実施の形態によれば、原料ガスにジシランやトリシランなど金属膜と気相反応するガス種を選択したので、塩素含有シラン系ガスを用いなくても、４５０℃以下の成膜温度でも、絶縁膜上にアモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜を形成できる。これにより、ノンプラズマで実施できるのでプラズマ発生装置などの高価な装置を設けずに済む。

なお、ガス供給条件としては、
モノシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
ジシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
が例示される。

（第５の実施の形態の成膜処理工程のガス供給タイミング（図９））
第５の実施の形態では、図９に示すように、処理室１３内に第１ガスと、この第１ガス（シリコン元素及び塩素元素含有ガス）と異なる種類の第２ガスとの同時供給を実施して、ウエハ６上に、アモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜を形成する。

この点で、ジクロロシラン（ＤＣＳ：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）などの塩素元素（Ｃｌ元素）を含むガス種とシラン系ガスとを用いて、これらのガスを同時に供給する。すると、図４（ｂ）に示すように、５００℃以下の成膜温度でも、Ｃｌを含むガス種が初期成膜に寄与して、Ｃｌ元素を含むシード層が形成されながら、シード層のＣｌ元素がシラン系ガス、例えばモノシランガス（ＳｉＨ_４）のＳｉで置換されるので、絶縁膜上にアモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜が安定して成膜する。

このように第５の実施の形態によれば、低温でも気相反応するガスとしてＣｌ元素を含むガス種を選択することにより、５００℃以下の成膜温度でも、絶縁膜上にアモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜を形成できる。また、ノンプラズマで成膜できるのでプラズマ発生装置などの高価な装置を設けずに済む。

なお、ガス供給条件としては、
モノシランガス供給流量：５０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
ジクロロシランガス供給流量：５０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
が例示される。

（第６の実施の形態の成膜処理工程のガス供給タイミング（図１０））
第６の実施の形態は、シラン系ガス（シリコン元素含有ガス）と塩素含有シラン系ガス（シリコン元素及び塩素元素含有ガス）との２種類のガスを同時供給するという点では第５の実施の形態と同じであるが、第５の実施の形態と異なる点は、図１０に示すように、シラン系ガスを１種ではなく、２種類用いる点である。この２種類のシラン系ガスとは、シラン系化合物ガスと、この化合物ガスとは異なる種類のシランを含むシラン系ガスと、である。図１０の例では、シラン系化合物ガスにはジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、トリシラン（Ｓｉ_３Ｈ_８）などを、シラン系ガスにはモノシラン（ＳｉＨ_４）などを用いている。また、塩素含有シラン系ガスにはジクロロシラン、トリクロロシランなどを用いている。この第６の実施の形態によれば、Ｃｌ元素を含むシード層を形成しながら、シード層のＣｌ元素が２種類のシラン系ガスのＳｉ元素で置換されるので、絶縁膜上にシリコン膜がより安定して成膜する。
なお、ガス供給条件としては、
モノシランガス供給流量：５０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
ジシランガス供給流量：５０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下
ジクロロシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態によれば、以下に挙げる一つ又はそれ以上の効果を有する。

本発明の実施の形態によれば、シリコン膜の原料ガスにシリコン元素及び塩素含有ガスを用いたので、アモルファス、エピタキシャル若しくはポリ状態のシリコン膜を、絶縁膜の上に成膜することが可能となる。

本発明の実施の形態によれば、４５０℃以下、より好ましくは４００℃以下の低温下において、膜厚が均一なシリコン膜を安定して得ることができる。

本発明の実施の形態によれば、低温成長のため、ノンプラズマでシリコン膜を成膜できるのでプラズマ発生装置などの高価な装置を設けずに済む。

プロセス温度が４５０℃以下と低温なので、ＬＳＩのＣＰＵ（セントラルプロセッシングユニット）や、ＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）の導電材料部分における配線や、浅い接合における、ドーパントの拡散を防止できる。

本発明の実施の形態によれば、低温で成膜することにより、ドーパントの拡散が防止され、また、下地膜の再結晶化を防ぎ、電気特性の劣化が防止される。したがって、より高速かつ、微細なＬＳＩを作製することができる。

本実施の形態によれば、低温でシリコン膜を形成できるので、ドーパントの拡散が防止され、下地膜の再結晶化を防ぎ、電気特性の劣化を防止できることを可能にする低温シリコン膜、すなわち、シラン系ガスによる低温アモルファスシリコン膜や、塩素含有シリコン系ガスを交互に成膜して得た低温ポリシリコン膜やエピタキシャル、アモルファスシリコン膜を成膜することができる。

半導体デバイスの微細化に伴い、Ｈｉｇｈ−ｋ材や、メタル材などのデバイス上部に成膜する要求が高まっているが、４５０℃以下のような低温での成膜が可能なため、Ｈｉｇｈ−ｋ材や、メタル材などのデバイス上部により低温でシリコン膜を成膜することができる。したがって、Ｈｉｇｈ−ｋ材や、メタル材などを用いたロジック・トランジスタやメモリキャパシタの劣化を抑えることが可能となる。

半導体デバイスの微細化、大容量化に伴い、容量膜には高誘電率（Ｈｉｇｈ−ｋ）絶縁材料が、配線にはＣｕなどの金属が、そして電極にはメタル材が用いられるようになり、デバイスの性能向上および劣化防止のために電極接合部のプロセスの低温化が必須となっているが、本実施の形態によれば、成膜プロセスの低温化を実現できるので、そのような要請に応えることができる。

また、量産においては、そのような低温プロセスにおける成膜や膜厚の安定性を実現できるので、デバイスの生産性を向上させることができる。

また、シラン系ガスのみで成膜した場合、成膜温度が４５０℃を超えてしまうため、下地膜への不純物拡散や膜自体のセルフアニールが生じ、デバイスの電気特性の悪化が問題となるが、本実施の形態によれば、４５０℃以下での成膜が実現できるので、そのような問題は生じがたい。

また、反応性の高いシラン系ガスを単独で用いて４５０℃以下の低温で成膜した場合、シリコン膜の膜厚面内均一性が数十％以上ばらつくこともあるが、シリコン元素及び塩素元素含有ガスを用いた本実施の形態によれば、量産レベルで、通常２〜３％以下の面内均一性を実現することができる。したがって、バッチ内のシリコン膜の膜厚の均一性を大幅に改善できる。

（その他）
このほかにも、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々様々変形実施可能なことは勿論である。

例えば、本実施の形態では、特にシリコン膜を導電化するためのドーパントについて説明しなかったが、成膜処理工程において、シリコン膜の原料ガスに加えて、ｐ型ドーパントとしてジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）などのホウ素元素含有ガスを供給するようにして、成膜されるシリコン膜を導電型とするようにしても良い。

また、本実施の形態では、反応管を単管のプロセスチューブ１２で構成し、プロセスチューブ１２を流れるガスが排気ライン１５から排出されるようにしたが、これに限定されない。例えば、反応管をアウタチューブとインナチューブからなる二重管で構成し、アウタチューブ及びインナチューブの間に形成される筒状空間を経由させて排気ライン１５からガスを排出するようにしてもよい。この場合、インナチューブの側壁に前記筒状空間に通じる排気孔を設けるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、第１ノズル１８及び第２ノズル２８に、それぞれ複数のガス供給ラインを共通接続するように構成したが、第１ノズル１８及び第２ノズル２８をそれぞれ複数のノズルからなる第１ノズル群、第２ノズル群とし、ノズル群を構成する各ノズルに複数のガス供給ラインを個別接続するように構成してもよい。

＜付記＞
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。

第１の態様によれば、基板を処理室に搬送する搬送工程と、前記処理室内に少なくともシリコン元素及び塩素元素を含有する第１ガスを供給する第１工程と、前記処理室内に前記第１ガスと異なる種類の少なくともシリコン元素を含有する第２ガスを供給する第２工程と、を有し、前記第１工程と前記第２工程とを少なくとも１回行うことにより、前記基板上にアモルファス、エピタキシャル、または、ポリ状態のシリコン膜を形成する半導体装置の製造方法が提供される。

第２の態様によれば、基板を処理する処理室と、前記処理室内に少なくともシリコン元素及び塩素元素を含有する第１ガスを供給する第１ガス供給ラインと、前記処理室内に前記第１ガスとは異なる種類の少なくともシリコン元素を含有する第２ガスを供給する第２ガス供給ラインと、前記処理室内を加熱する加熱装置と、前記加熱装置が前記処理室内を加熱維持しつつ、前記第１ガス供給ラインが前記処理室内へ前記第１ガスを供給し、前記第２ガス供給ラインが前記処理室内へ前記第２のガスを供給し、前記第１ガスの供給と、前記第２ガスの供給とを少なくとも１回行うことにより、前記基板にアモルファス、エピタキシャル、又はポリ状態のシリコン膜を形成するように制御するコントローラとを有する基板処理装置が提供される。

第３の態様によれば、基板を処理室に搬送する搬送工程と、前記処理室内に少なくともシリコン元素及び塩素元素を含有する第１ガスを供給する第１工程と、前記処理室内に前記第１のガスと異なる種類の少なくともシリコン元素を含有する第２ガスを供給する第２工程とを有し、前記第１工程と前記第２工程とを少なくとも１回行った後、前記処理室内に少なくともシリコン元素を含有する第３ガスを供給する第３の工程を行うことで、前記基板上にアモルファス、エピタキシャル、または、ポリ状態のシリコン膜を形成する半導体装置の製造方法が提供される。

第４の態様によれば、第１の実施の態様において、シリコン元素を含有し、前記第１及び第２ガスとは異なる第３ガスも同時に供給する半導体装置の製造方法が提供される。

第５の態様によれば、第４の実施の態様において、前記第２ガスは、シラン系のガスであり、前記第３ガスは、シラン化合物系のガスである半導体装置の製造方法が提供される。

第６の態様によれば、第１の態様において、
前記第１工程と前記第２工程の間に不活性ガスを供給するパージステップを更に有する半導体装置の製造方法が提供される。

第７の実施の態様によれば、第１の態様において、
前記シリコン膜の形成は、４５０℃以下で行われる半導体装置の製造方法が提供される。

第８の実施の態様によれば、第１の態様において、
前記第１工程は、前記第２工程の前に行われる半導体装置の製造方法が提供される。

第９の実施の態様によれば、基板を処理室に搬送する搬送工程と、前記処理室内に少なくともシラン系の第１ガスを供給する第１工程と、前記処理室内に前記第１ガスと異なるシラン化合物系の第２ガスを供給する第２工程と、を有し、前記第１工程と前記第２工程とを少なくとも１回行うことにより、前記基板上にアモルファス、エピタキシャル、または、ポリ状態のシリコン膜を形成する半導体装置の製造方法が提供される。

６ウエハ（基板）
１３処理室
１５排気ライン
１８第１ノズル
２８第２ノズル
Ｌ１第１ガス供給ライン

Claims

基板に対してシリコン元素及び塩素元素を含有する第１ガスを供給する第１工程と、
前記基板に対して前記第１ガスとは異なる種類のシリコン元素を含有する第２ガスを供給する第２工程と、を有し、
前記第１工程と前記第２工程とを少なくとも１回行うことにより、前記基板上にアモルファス、エピタキシャル、または、ポリ状態のシリコン膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を形成する工程では、前記第１工程を前記第２工程よりも先行して行う請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を形成する工程では、前記第１工程と前記第２工程とを交互に繰り返す請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を形成する工程では、前記第１工程と前記第２工程とを同時に行う請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１工程では、前記基板の表面上に塩素元素を含むシード層を形成する請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記第２工程では、前記シード層に含まれる塩素元素を、前記第２ガスに含まれるシリコン元素で置換する請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を形成する工程を、前記第２ガスが分解しない温度下で行う請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を形成する工程を、室温以上４５０℃以下の温度下で行う請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を形成する工程では、前記第２工程を実施する時間を、前記第１工程を実施する時間よりも長くする請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記第１ガスは、ジクロロシランガス、トリクロロシランガス、テトラクロロシランガス、およびヘキサクロロジシランガスのいずれかであり、前記第２ガスは、モノシランガス、ジシランガス、およびトリシランガスのいずれかである請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を形成する工程は、さらに、前記基板に対して前記第１ガスおよび前記第２ガスとは異なる種類のシリコン元素を含有する第３ガスを供給する第３工程を有する請求項１乃至１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を形成する工程の前に、さらに、前記基板に対して水素ガスを供給する工程を有する請求項１乃至１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記基板の表面には絶縁膜が形成されており、前記シリコン膜は前記絶縁膜上に形成される請求項１乃至１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
基板に対してシリコン元素及び塩素元素を含有する第１ガスを供給する第１工程と、
前記基板に対して前記第１ガスとは異なる種類のシリコン元素を含有する第２ガスを供給する第２工程と、を有し、
前記第１工程と前記第２工程とを少なくとも１回行うことにより、前記基板上にアモルファス、エピタキシャル、または、ポリ状態のシリコン膜を形成する基板処理方法。
基板を処理する処理室と、
前記処理室内の基板に対してシリコン元素及び塩素元素を含有する第１ガスを供給する第１ガス供給系と、
前記処理室内の基板に対して前記第１ガスとは異なる種類のシリコン元素を含有する第２ガスを供給する第２ガス供給系と、
前記処理室内において、基板に対して前記第１ガスを供給する第１処理と、前記基板に対して前記第２ガスを供給する第２処理と、を少なくとも１回行うことにより、前記基板上にアモルファス、エピタキシャル、または、ポリ状態のシリコン膜を形成するように、前記第１ガス供給系および前記第２ガス供給系を制御するよう構成されるコントローラと、
を有する基板処理装置。