JP2016178169A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に半導体製造装置内に反応ガスを導入して半導体基板表面に加工を施す工程を含む半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device including a step of processing a surface of a semiconductor substrate by introducing a reaction gas into the semiconductor manufacturing device.
半導体装置の製造工程では、半導体基板表面に薄膜を形成する工程やエッチング工程等を繰り返し、所望の半導体装置を形成する。例えば、半導体基板表面に薄膜を形成する一例として、シリコンナイトライド膜を形成する場合がある。一般的にシリコンナイトライド膜は、化学気相成長（ＣＶＤ）法により形成される。 In the manufacturing process of the semiconductor device, a desired semiconductor device is formed by repeating a process of forming a thin film on the surface of the semiconductor substrate, an etching process, and the like. For example, a silicon nitride film may be formed as an example of forming a thin film on the surface of a semiconductor substrate. Generally, a silicon nitride film is formed by a chemical vapor deposition (CVD) method.
図２は、ＣＶＤ法により薄膜を形成する際に使用される半導体製造装置の一種である縦型ＣＶＤ装置の説明図である。石英製のアウターチューブ１の内側に同心状にインナーチューブ２が配置され、ステンレス製のマニホールド３上に載置されている。インナーチューブ２の内側が、成膜反応を行う反応室４となる。この反応室４はアウターチューブ１外側に設置された図示しないヒーターにより加熱される。マニホールド３には、反応室４内部に成膜に必要な反応ガス等を導入するガス導入管５と、インナーチューブ２の外側から未反応の反応ガス等を排出する排気口６が設けられている。排気口６は真空ポンプに接続され、反応室４を減圧、真空に保つことができる。半導体基板７は、ボート８に複数枚載置され、反応室４の所定の位置に設置される。なお、９はボート８を載置する台座であり、１０はマニホールド３の開口を密閉する炉口蓋となる。
FIG. 2 is an explanatory view of a vertical CVD apparatus which is a kind of semiconductor manufacturing apparatus used when forming a thin film by the CVD method. An
上記ＣＶＤ装置を使用して半導体基板７表面に薄膜を形成する場合には、炉口蓋１０から半導体基板７を複数枚載置したボート８を台座９と共に反応室４に配置し、炉口蓋１０を密閉した後、アウターチューブ１およびインナーチューブ２内を排気、減圧させた後、ガス導入管５から薄膜形成に必要な反応ガスを供給するとともに、所望の圧力、温度に設定することで、半導体基板７表面に薄膜を形成することができる。
When a thin film is formed on the surface of the
所望の薄膜形成後は、ガス導入管５から不活性ガスを導入し、アウターチューブ１およびインナーチューブ２内を不活性ガスで置換した後、常圧に戻し、炉口蓋１０からボート８が台座９と共に取り出される。
After the formation of the desired thin film, an inert gas is introduced from the
ところで、この種のＣＶＤ装置では、反応室４内で反応ガスが熱分解して半導体基板７上に薄膜が堆積し、未反応の反応ガス、副生成物、キャリアガスが図中矢印で示すように流れ、排気口６から排気される。その際、排気口６付近は反応室４より低温となるため、副生成物１１が管壁に付着してしまうという課題を抱えていた。そこで、付着した副生成物１１をエッチング除去するため、上記半導体基板７表面に薄膜を形成する工程とは別にクリーニング工程を、所定間隔で行う必要があった。クリーニング方法の一例は、例えば特許文献１に記載されている。
By the way, in this type of CVD apparatus, the reaction gas is thermally decomposed in the
従来の副生成物の除去方法は、半導体装置の製造工程とは別のクリーニング工程を必要としていた。しかしながら、例えばＭＥＭＳ素子の製造工程において低ストレスの薄膜形成を行う場合、従来の薄膜形成工程と比較すると発生する副生成物の量が多くなり、頻繁に副生成物を除去しなければならないという問題があった。 Conventional by-product removal methods require a cleaning process that is separate from the semiconductor device manufacturing process. However, for example, when forming a low-stress thin film in the manufacturing process of the MEMS element, the amount of by-products generated is larger than that in the conventional thin film forming process, and the by-products must be frequently removed. was there.
例えば、低ストレスの薄膜としてシリコンナイトライド膜を形成する場合、従来方法と同一のガス（例えば、シラン系ガスであるジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）ガスとアンモニア（ＮＨ3）ガス）を使用する場合には、その組成比を変更して所望のストレスとなるように調整する。具体的には、一般的な半導体装置のパッシベーション膜等に使用されるシリコンナイトライド膜を形成する場合、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガスとＮＨ3ガスの流量比（ＳｉＨ2Ｃｌ2／ＮＨ3）が０．２５〜０．５程度であるのに対し、低ストレスのシリコンナイトライド膜を形成する場合には、５．０を越える流量比で成膜する。 For example, when a silicon nitride film is formed as a low-stress thin film, the same gas as the conventional method (for example, dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) gas and ammonia (NH 3 ) gas which are silane-based gases) is used. In such a case, the composition ratio is changed and adjusted so as to obtain a desired stress. Specifically, when a silicon nitride film used for a passivation film or the like of a general semiconductor device is formed, the flow rate ratio (SiH 2 Cl 2 / NH 3 ) between SiH 2 Cl 2 gas and NH 3 gas is 0. On the other hand, when a low-stress silicon nitride film is formed, the film is formed at a flow rate ratio exceeding 5.0.
このように、シラン系ガスが過剰に存在する条件で成膜すると、シラン系ガスが反応室３内で消費しきれずに排気されてしまうことになる。その結果、従来に比べて多量の副生成物が発生してしまう。
As described above, when the film is formed under the condition where the silane-based gas is excessively present, the silane-based gas is exhausted without being consumed in the
しかもシラン系ガスから生成される副生成物は、塩素や塩酸を多量に含むシリコン系ポリマーとなる。そこで真空ポンプへの負担を避けるため、ガストラップを付加する必要があり、装置の複雑化を招いていた。またガストラップを追加することで、減圧経路の抵抗を増大させてしまう。さらに副生成物に塩素や塩酸を含むことからクリーニング工程での作業者の安全確保に留意しなければならない等の問題があった。 Moreover, the by-product generated from the silane gas becomes a silicon polymer containing a large amount of chlorine and hydrochloric acid. Therefore, in order to avoid the burden on the vacuum pump, it is necessary to add a gas trap, resulting in a complicated apparatus. In addition, adding a gas trap increases the resistance of the decompression path. Furthermore, since chlorine and hydrochloric acid are contained in the by-products, there are problems such as having to pay attention to ensuring the safety of workers in the cleaning process.
そこで本願発明は、複雑な装置を使用することなく、副生成物の発生を抑えることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can suppress the generation of by-products without using a complicated apparatus.
上記目的を達成するため本願請求項１に係る発明は、半導体製造装置の反応室内に基板を配置する工程と、前記反応室内に反応ガスを供給して前記基板表面に加工を施す工程と、前記反応室の下流側で、前記反応室を通過した前記反応ガスに別のガスを混合させ、該混合されたガスから形成される副生成物を除去する工程とを同時に行うことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の半導体装置の製造方法において、前記半導体製造装置はＣＶＤ装置であり、前記反応室内に反応ガスとしてシラン系ガスとアンモニアガスを供給して前記基板表面に薄膜を形成する工程と、前記反応室の下流側で、前記反応室を通過した前記反応ガスに別のアンモニアガスを混合させ、形成される塩化アンモニウムを除去する工程とを同時に行うことを特徴とする。
The invention according to
本願請求項３に係る発明は、請求項２記載の半導体装置の製造方法において、前記塩化アンモニウムを除去する工程は、該塩化アンモニウムが昇華して除去される工程であることを特徴とする。
The invention according to
本発明の半導体装置の製造方法によれば、薄膜形成等の加工工程とクリーニング工程を同時に行うため、副生成物の堆積を大幅に低減することができる。特に副生成物の発生量が多くなる成膜条件での半導体装置の製造工程で本発明を採用すると効果は大きい。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, since a processing step such as thin film formation and a cleaning step are performed simultaneously, deposition of by-products can be significantly reduced. In particular, when the present invention is employed in a manufacturing process of a semiconductor device under film forming conditions in which a large amount of by-products is generated, the effect is great.
また本発明を実施するための半導体製造装置は、通常の半導体製造装置に追加のガス導入ができる簡便な構造を追加するのみで良く、ガストラップの用な複雑な構造を追加する必要がないという利点がある。 Moreover, the semiconductor manufacturing apparatus for carrying out the present invention only needs to add a simple structure capable of introducing additional gas to a normal semiconductor manufacturing apparatus, and does not need to add a complicated structure for a gas trap. There are advantages.
本発明の製造方法により生成する副生成物が塩化アンモニウムの場合、昇華により簡便に除去することが可能となる。また、加工工程と同時に行うクリーニング工程だけでは除去しきれずに堆積した場合でも、追加のクリーニングを行うことで昇華させ、あるいは水洗で容易に除去することができるという利点がある。当然ながら追加のクリーニングの頻度は大幅に削減することができるし、副生成物に塩素や塩酸を含まないので、クリーニング工程での作業者の安全確保が容易になるという利点がある。 When the by-product produced by the production method of the present invention is ammonium chloride, it can be easily removed by sublimation. In addition, even when the deposits cannot be completely removed by the cleaning process performed simultaneously with the processing process, there is an advantage that they can be sublimated by additional cleaning or easily removed by washing with water. Of course, the frequency of the additional cleaning can be greatly reduced, and there is an advantage that it is easy to ensure the safety of the worker in the cleaning process because the by-product does not contain chlorine or hydrochloric acid.
本願発明は、薄膜の形成やエッチングなど基板表面に加工を施す工程と同時に反応室より下流側では副生成物の堆積を抑制するための処理を行う半導体装置の製造方法となる。以下、本願発明の実施例について詳細に説明する。 The present invention is a method for manufacturing a semiconductor device in which processing for suppressing deposition of by-products is performed downstream of the reaction chamber at the same time as processing of the substrate surface such as thin film formation and etching. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
本発明の実施例として、薄膜を形成する場合について説明する。具体的には、特に本発明の効果の大きい一例として、低ストレスのシリコンナイトライド膜を形成する場合について説明する。図１に本実施例に使用するＣＶＤ装置を示す。図１に示すように従来例で説明したＣＶＤ装置同様、石英製のアウターチューブ１の内側に同心状にインナーチューブ２が配置され、ステンレス製のマニホールド３上に載置されている。インナーチューブ２の内側が、成膜反応を行う反応室４となる。この反応室４はアウターチューブ１外側に設置された図示しないヒーターにより加熱される。マニホールド３には、反応室４内部に成膜に必要な反応ガス等を導入するガス導入管５ａ〜５ｄと、インナーチューブ２の外側から未反応の反応ガス等を排出する排気口６が設けられている。排気口６は真空ポンプに接続され、反応室４を減圧、真空に保つことができる。半導体基板７は、ボート８に複数枚載置され、反応室４の所定の位置に設置される。なお、９はボート８を載置する台座であり、１０はマニホールド３の開口を密閉する炉口蓋となる。
As an example of the present invention, a case where a thin film is formed will be described. Specifically, a case where a low-stress silicon nitride film is formed will be described as an example in which the effect of the present invention is particularly large. FIG. 1 shows a CVD apparatus used in this embodiment. As shown in FIG. 1, an
ここで、本実施例で使用するＣＶＤ装置のガス導入管として、反応室４の下流側で反応ガスの供給ができるガス導入管５ｅが追加されている点が相違している。このガス導入管５ｅの設置場所は、供給されるガスが反応室４に逆流しない位置に設定される。従って、この条件が満たされれば、図１に示すようにアウターチューブ１とインナーチューブ２の間に限定されず、インナーチューブ２内であっても良い。またその形状も図１に示す形状の他、先端が曲がった形状等種々変更可能である。
Here, a difference is that a
上記ＣＶＤ装置を使用して半導体基板７表面に低ストレスのシリコンナイトライド膜を形成する場合、炉口蓋１０から半導体基板７を複数枚載置したボート８を台座９と共に反応室４に配置し、炉口蓋１０を密閉した後、アウターチューブ１およびインナーチューブ２内を排気、減圧させた後、ガス導入管５ａ〜５ｄから薄膜形成に必要な反応ガスを供給すると共に、ガス導入管５ｅから副生成物を除去するためのガスを供給し、所望の圧力、温度に設定する。
When a low-stress silicon nitride film is formed on the surface of the
具体的には、反応ガスとしてガス導入管５ａ、５ｂからＮＨ3ガスを、ガス導入管５ｃからＳｉＨ2Ｃｌ2ガスをそれぞれ供給し、ガス導入管５ｄからキャリアガスとして窒素（Ｎ2）ガスを供給する。反応ガスは、反応室４内で熱分解され、半導体基板７上にシリコンナイトライド膜が堆積する。
Specifically, NH 3 gas is supplied as the reaction gas from the
ここで、低ストレスのシリコンナイトライド膜を形成する場合、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガスとＮＨ3ガスの流量は、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガスを過剰に導入するのが一般的である。そのため、反応ガスが供給される上流側、即ち図１の台座９に近いＣＶＤ装置下部側と、その上流側、即ち図１の台座９から遠いＣＶＤ装置上部側では、熱分解反応により消費されるＮＨ3ガスが上流側ほど不足してしまう。そこで、ＮＨ3ガスの供給をガス導入管５ａに加え、ガス導入管５ｂからも供給する構成としている。
Here, when a low-stress silicon nitride film is formed, SiH 2 Cl 2 gas and NH 3 gas are generally introduced with an excessive amount of SiH 2 Cl 2 gas. Therefore, the upstream side to which the reaction gas is supplied, that is, the lower side of the CVD apparatus close to the
このような構成で半導体基板７上に低ストレスのシリコンナイトライド膜が形成された場合、未反応の反応ガスは図中矢印で示すようにインナーチューブ２の外側を通り、排気口６から排気される。従来例で説明したように、ＳｉＨ2Ｃｌ2は、反応室３内で消費しきれずに排気されてしまい多量の副生成物を発生してしまう。そこで本実施例では、未反応の反応ガスにガス導入管５ｅからＮＨ3ガスを供給する。ここで供給するＮＨ3ガスは、反応室を通過した未反応のＮＨ3ガスおよびＳｉＨ2Ｃｌ2ガス等と混合した状態で副生成物として塩化アンモニウム（ＮＨ4Ｃｌ）が形成されるように調整して供給する。この副生成物ＮＨ4Ｃｌは、１５０℃程度で昇華する物質であり、通常の排気工程で十分除去可能となる。
When a low-stress silicon nitride film is formed on the
このように供給されるＮＨ3ガスは、除去が容易な副生成物を形成するために必要な反応ガスとなり、また生成した塩化アンモニウムをキャリアガスとともに除去することにもなる。また、薄膜の生成と共に行う塩化アンモニウムの除去工程だけでは除去しきれずに
排気口６に副生成物１１として堆積した場合でも、塩化アンモニウムは昇華させ、あるいは水洗により容易に除去することができる。またその頻度は、従来に比べて大幅に削減することが可能となる。
The NH 3 gas supplied in this manner becomes a reaction gas necessary for forming a by-product that can be easily removed, and the produced ammonium chloride is also removed together with the carrier gas. Further, even when the ammonium chloride cannot be completely removed by the step of removing the ammonium chloride that is performed together with the formation of the thin film, and is deposited as the by-
なお、図１に示すようにガス導入管５ｅを排気経路内に設置する場合、排気経路内でＳｉＨ2Ｃｌ2はＮＨ3ガスと反応し、不要のパーティクルの発生やガス導入管５ｅ表面にシリコンナイトライド膜の積層等が生じる。そこで、ガス導入管を石英、パイレックス、アルミナ、ボロンナイトライドやシリコンカーバイドなどのセラミックなど、所望の材料で形成するのが望ましい。
As shown in FIG. 1, when the
以上説明したように本発明では、通常の成膜工程において、成膜のための熱分解反応を阻害しない下流側で、別の反応ガスを供給する構成とするのみで、除去の容易な副生成物を形成し、さらに副生成物の除去を同時に行うことができ、副生成物を除去するためのクリーニングの頻度を大幅に少なくすることが可能なる。 As described above, according to the present invention, in a normal film forming process, by simply supplying another reactive gas on the downstream side that does not inhibit the thermal decomposition reaction for film formation, a by-product that is easy to remove. The product can be formed and the by-product can be removed at the same time, and the frequency of cleaning for removing the by-product can be greatly reduced.
本発明は、上記実施例に限定されず種々変更することが可能である。第１の実施例は、縦型ＣＶＤ装置の場合について説明したが、横型ＣＶＤ装置であっても何ら問題ない。また、低ストレスのシリコンナイトライド膜の形成に限るものでもない。さらにＣＶＤ装置を用いた成膜の場合に限らず、半導体基板をエッチング加工する際に、下流側にエッチング除去される半導体基板、反応ガス等から生成する副生成物を除去するようなガスを導入すれば、エッチング工程を行っている反応室の下流側で副生成物の発生を抑えることが可能となる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. In the first embodiment, the case of a vertical CVD apparatus has been described, but there is no problem even if it is a horizontal CVD apparatus. Further, the present invention is not limited to the formation of a low stress silicon nitride film. Furthermore, not only in the case of film formation using a CVD apparatus, when etching a semiconductor substrate, a gas that removes by-products generated from the semiconductor substrate, reaction gas, etc. that is removed by etching downstream is introduced. By doing so, it is possible to suppress the generation of by-products on the downstream side of the reaction chamber in which the etching process is performed.
１：アウターチューブ、２：インナーチューブ、３：マニホールド、４：反応室、５、５ａ〜５ｅ：ガス導入管、６：排気口、７：半導体基板、８：ボート、９：台座、１０：炉口蓋、１１：副生成物 1: outer tube, 2: inner tube, 3: manifold, 4: reaction chamber, 5, 5a to 5e: gas introduction pipe, 6: exhaust port, 7: semiconductor substrate, 8: boat, 9: pedestal, 10: furnace Palate, 11: by-product
Claims (3)
前記反応室内に反応ガスを供給して前記基板表面に加工を施す工程と、前記反応室の下流側で、前記反応室を通過した前記反応ガスに別のガスを混合させ、該混合されたガスから形成される副生成物を除去する工程とを同時に行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Placing a substrate in a reaction chamber of a semiconductor manufacturing apparatus;
A step of supplying a reaction gas into the reaction chamber to process the substrate surface; and, on the downstream side of the reaction chamber, another gas is mixed with the reaction gas that has passed through the reaction chamber, and the mixed gas And a step of removing a by-product formed from the semiconductor device.
前記半導体製造装置はＣＶＤ装置であり、
前記反応室内に反応ガスとしてシラン系ガスとアンモニアガスを供給して前記基板表面に薄膜を形成する工程と、前記反応室の下流側で、前記反応室を通過した前記反応ガスに別のアンモニアガスを混合させ、形成される塩化アンモニウムを除去する工程とを同時に行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor manufacturing apparatus is a CVD apparatus,
A step of supplying a silane-based gas and ammonia gas as reaction gases into the reaction chamber to form a thin film on the substrate surface, and another ammonia gas as the reaction gas that has passed through the reaction chamber on the downstream side of the reaction chamber And a step of removing the formed ammonium chloride at the same time.
前記塩化アンモニウムを除去する工程は、該塩化アンモニウムが昇華して除去される工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2.
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step of removing ammonium chloride is a step of removing ammonium chloride by sublimation.
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