JP2017162851A - 凹部内の結晶成長方法および処理装置 - Google Patents

凹部内の結晶成長方法および処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】絶縁膜に形成された凹部内に選択的に固相エピタキシャル成長によって結晶を成長させることができる凹部内の結晶成長方法およびそれに用いられる処理装置を提供する。【解決手段】絶縁膜２０１の表面に、凹部を完全に埋め込まない程度に第１の膜２０３を成膜した後、エッチングして凹部２０２内の底部のみに第１の膜を残存させ、アニールにより底部に残存する第１の膜２０３を結晶性層２０４とし、凹部２０２を完全に埋め込まない程度に第２の膜２０５を成膜し、アニールにより第２の膜２０５を凹部２０２内の底部から固相エピタキシャル成長により結晶成長させ、エピタキシャル結晶層２０６を形成し、残存する前記第２の膜をエッチングガスによりエッチングして除去する。【選択図】図２

Description

本発明は、凹部が形成された絶縁膜を表面に有する被処理基板に対し、凹部内にシリコン等の結晶を成長させる、凹部内の結晶成長方法およびそれに用いられる処理装置に関する。
半導体デバイスの製造においては、トレンチやホール（コンタクトホールまたはスルーホール）等の凹部内にシリコンを埋め込む処理が行われることがある。凹部内に充填されたシリコンは、例えば、電極として利用される。
トレンチ内にシリコンを埋め込む技術として特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１には、トレンチ内にトレンチを閉塞しないような十分に薄い多結晶シリコン膜を形成し、多結晶シリコン膜の上にアモルファスシリコンを形成した後、アニールし、トレンチを充填するようにアモルファスシリコン層を移動させる技術が記載されている。
また、凹部内にシリコンを堆積した後、アニールすることにより固相エピタキシャル成長させることが試みられている。
特開平１０−５６１５４号公報
しかしながら、特許文献１には凹部内に結晶成長させる技術は示されていない。また、絶縁膜に形成された凹部の場合は、エピタキシャル成長させるための結晶が存在せず、そのままでは固相エピタキシャル成長させることができない。
したがって、本発明は、絶縁膜に形成された凹部内に選択的に固相エピタキシャル成長によって結晶を成長させることができる凹部内の結晶成長方法およびそれに用いられる処理装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、表面に凹部が形成された絶縁膜を有する被処理基板に対し、前記凹部内に結晶を成長させる、凹部内の結晶成長方法であって、（ａ）前記絶縁膜の表面に、前記凹部を完全に埋め込まない程度に第１の膜を成膜する工程と、（ｂ）次いで、前記第１の膜をエッチングガスによりエッチングして、前記凹部内の底部のみに前記第１の膜を残存させる工程と、（ｃ）次いで、前記被処理基板をアニールして、前記凹部内の底部に残存する第１の膜を結晶性層とする工程と、（ｄ）次いで、前記絶縁膜の表面および前記結晶性層の表面に、前記凹部を完全に埋め込まない程度に第２の膜を成膜する工程と、（ｅ）次いで、前記被処理基板をアニールして、前記第２の膜を前記凹部内の底部から固相エピタキシャル成長により結晶成長させ、エピタキシャル結晶層を形成する工程と、（ｆ）次いで、残存する前記第２の膜をエッチングガスによりエッチングして除去する工程とを有することを特徴とする凹部内の結晶成長方法を提供する。
上記第１の観点において、前記（ｄ）工程、前記（ｅ）工程、および前記（ｆ）工程のシーケンスを複数回繰り返してもよい。
前記第１の膜は、シリコン膜であり、前記第２の膜は、シリコン膜、ゲルマニウム膜、シリコンゲルマニウム膜のいずれかであってよい。この場合に、前記シリコン膜は、シリコン原料ガスを用いたＣＶＤ法により形成されてよく、前記ゲルマニウム膜は、ゲルマニウム原料ガスを用いたＣＶＤ法により形成されてよく、前記シリコンゲルマニウム膜は、シリコン原料ガスおよびゲルマニウム原料ガスを用いたＣＶＤ法により形成されてよい。前記シリコン原料ガスは、シラン系ガスまたはアミノシラン系ガスであってよく、前記ゲルマニウム原料ガスは、ゲルマン系ガスまたはアミノゲルマン系ガスであってよい。
前記（ｂ）工程および前記（ｆ）工程は、前記第１の膜および前記第２の膜がシリコン膜である場合に、前記エッチングガスは、Ｃｌ２、ＨＣｌ、Ｆ２、Ｂｒ２、ＨＢｒから選択されたものを用いることができる。
前記（ｂ）工程は、前記被処理基板の温度を２００〜５００℃にして行うことができる。また、前記（ａ）工程および前記（ｄ）工程は、前記第１の膜および前記第２の膜がシリコン膜である場合に、前記被処理基板の温度を３００〜７００℃の範囲内にして行うことができる。前記（ｃ）工程は、前記第１の膜がシリコン膜である場合に、前記被処理基板の温度を５００℃以上にして行うことができる。前記（ｅ）工程は、前記第２の膜がシリコン膜である場合に、前記被処理基板の温度を３００〜６００℃の範囲で行うことができる。
本発明の第２の観点は、表面に凹部が形成された絶縁膜を有する被処理基板に対し、前記凹部内に結晶を成長させる処理装置であって、前記被処理基板を収容する処理容器と、前記処理容器内にガスを供給するガス供給部と、前記処理容器内を加熱する加熱機構と、前記処理容器内を排気して減圧状態とする排気機構と、前記ガス供給部、前記加熱機構、および前記排気機構を制御する制御部とを具備し、前記制御部は、前記排気機構により前記処理容器内を所定の減圧状態に制御し、前記加熱機構により前記処理容器内を所定温度に制御し、前記ガス供給部から前記処理容器内に第１のガスを供給させて、前記絶縁膜の表面に、前記凹部を完全に埋め込まない程度に第１の膜を成膜させ、次いで、前記ガス供給部から前記処理容器内にエッチングガスを供給させ、前記第１の膜をエッチングさせて、前記凹部内の底部のみに前記第１の膜を残存させ、次いで、前記ガス供給部から前記処理容器内にアニールガスを供給させて、前記被処理基板をアニールさせ、前記凹部内の底部に残存する第１の膜を結晶性層とさせ、次いで、前記ガス供給部から前記処理容器内に第２のガスを供給させて、前記絶縁膜の表面および前記結晶性層の表面に、前記凹部を完全に埋め込まない程度に第２の膜を成膜させ、次いで、前記ガス供給部から前記処理容器内にアニールガスを供給させて、前記被処理基板をアニールさせ、前記第２の膜を前記凹部内の底部から固相エピタキシャル成長により結晶成長させ、次いで、前記ガス供給部から前記処理容器内にエッチングガスを供給させて、前記第２の膜をエッチングにより除去させることを特徴とする処理装置を提供する。
上記第２の観点において、前記処理容器は、前記被処理基板が複数保持された基板保持具が収容され、複数の基板に対して処理が行われるようにすることができる。
本発明の第３の観点は、コンピュータ上で動作し、処理装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記第１の観点の凹部内の結晶成長方法が行われるように、コンピュータに前記処理装置を制御させることを特徴とする記憶媒体を提供する。
本発明によれば、トレンチやホール等の凹部が形成された絶縁膜を有する被処理基板に、凹部を完全に満たさない程度の第１の膜を成膜した後、エッチングガスを用いてエッチングすることにより、凹部の底部にのみ第１の膜を残存させることができ、この状態でアニールにより凹部内の底部に残存する第１の膜を結晶性層とし、この結晶性層の上に第２の膜を成膜するとともに、アニールにより第２の膜を凹部内の底部から固相エピタキシャル成長により結晶成長させ、エピタキシャル結晶層を形成する。このため、絶縁膜に形成された凹部であっても、凹部内に底部から固相エピタキシャル成長により結晶層を選択的に成長させることができる。
本発明の一実施形態に係る凹部内の結晶成長方法を示すフロー図である。 本発明の一実施形態に係る凹部内の結晶成長方法を説明するための工程断面図である。 本発明の凹部内の結晶成長方法の実施に用いることができる処理装置の一例を示す縦断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜凹部内の結晶成長方法＞
最初に、本発明に係る凹部内の結晶成長方法の一実施形態について、図１のフロー図および図２の工程断面図に基づいて説明する。
まず、トレンチやホール等の凹部２０２が所定パターンで形成された、ＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜等からなる絶縁膜２０１を基体２００上に有する半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）を準備する（ステップ１、図２（ａ））。なお、基体２００は半導体基板であってもよいし、半導体基板に他の層が形成されたものであってもよい。
凹部２０２としては、例えば、開口径または開口幅が１０〜５０ｎｍ、深さが５０〜３００ｎｍ程度のものであってよい。
次に、凹部２０２を完全に満たさない程度に、絶縁膜２０１の表面に第１の膜としてシリコン膜、典型的にはアモルファスシリコン膜２０３を成膜（堆積）する（ステップ２、図２（ｂ））。このときのアモルファスシリコン膜２０３の成膜は、シリコン（Ｓｉ）原料ガスを用いたＣＶＤ法により行われる。アモルファスシリコン膜２０３の膜厚は、凹部の大きさ形状にもよるが、１０〜２０ｎｍ程度が好ましい。
Ｓｉ原料ガスとしては、ＣＶＤ法に適用可能なＳｉ含有化合物全般を用いることができ特に限定されないが、シラン系化合物、アミノシラン系化合物を好適に用いることができる。シラン系化合物としては、例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等を挙げることができ、アミノシラン系化合物としては、例えば、ＢＡＳ（ブチルアミノシラン）、ＢＴＢＡＳ（ビスターシャリブチルアミノシラン）、ＤＭＡＳ（ジメチルアミノシラン）、ＢＤＭＡＳ（ビスジメチルアミノシラン）等を挙げることができる。もちろん他のシラン系ガス、アミノシラン系ガスであってもよい。
アモルファスシリコン膜２０３を形成する際に、Ｓｉ原料ガスとともに、不純物含有ガスを用いてもよい。不純物としては、ヒ素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）が例示され、不純物含有ガスとしては、アルシン（ＡｓＨ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、ホスフィン（ＰＨ３）を用いることができる。
このときの具体的なプロセス条件としては、ウエハの温度：３００〜７００℃、圧力：０．１〜１０Ｔｏｒｒ（１３．３〜１３３３Ｐａ）程度を用いることができる。
次に、ウエハにエッチングガスを供給して、アモルファスシリコン膜２０３をエッチングし、凹部２０２の底部にのみアモルファスシリコン膜２０３を残存させる（ステップ３、図２（ｃ））。
エッチングガスは、上方から供給されるため、アモルファスシリコン膜２０３は表面側からエッチングされる。このため、図２（ｃ）に示すように、アモルファスシリコン膜２０３の上面部分および凹部２０２の側面部分を完全にエッチングして絶縁膜２０１が露出した状態とし、凹部２０２の底部にのみ、Ｖ字状ないしはＵ字状をなすように残存させることができる。
このとき用いられるエッチングガスとしては、アモルファスシリコンをエッチングすることができるもの全般を用いることができ、特に限定されないが、例えば、Ｃｌ２、ＨＣｌ、Ｆ２、Ｂｒ２、ＨＢｒ等を好適に用いることができる。また、このようなエッチングガスによるエッチングとともに、またはこのようなエッチングガスによるエッチングに代えて、シリコンを除去することができる他のエッチングプロセスを用いてもよい。
この際のエッチング温度は２００〜５００℃の範囲が好ましい。この場合に、エッチング温度がこの範囲内で高温であればあるほど（４００℃程度以上）、底部にアモルファスシリコン膜を残しやすくなる傾向がある。
次に、ウエハをアニールし、凹部２０２の底部のアモルファスシリコン膜２０３を結晶化させ、結晶性シリコン層２０４とする（ステップ４、図２（ｄ））。
ステップ４におけるウエハのアニールは、温度：５００℃以上、好ましくは５００〜７００℃、圧力：１．０×１０−１０〜１．０Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−８〜１３３Ｐａ）程度で行うことができる。また、アニールは、水素ガス（Ｈ２ガス）を含有する雰囲気、または窒素（Ｎ２）ガス等の不活性ガスを含有する雰囲気、またはこれら両方を含有する雰囲気で行うことができる。Ｈ２ガスを含有する雰囲気でアニールを行うことにより、シリコンのマイグレーションを抑制することができる。
次に、絶縁膜２０１および結晶性シリコン層２０４の表面に、第２の膜として、凹部２０２を完全に満たさない程度にアモルファスシリコン膜２０５を成膜（堆積）する（ステップ５、図２（ｅ））。このときのアモルファスシリコン膜２０５の成膜は、ステップ２と同様、シリコン（Ｓｉ）原料ガスを用いたＣＶＤ法により行われる。Ｓｉ原料ガスについても、ステップ２と同様、ＣＶＤ法に適用可能なＳｉ含有化合物全般を用いることができ特に限定されないが、シラン系化合物、アミノシラン系化合物を好適に用いることができる。
アモルファスシリコン膜２０５を形成する際に、Ｓｉ原料ガスとともに、不純物含有ガスを用いてもよい。不純物としては、ヒ素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）が例示され、不純物含有ガスとしては、アルシン（ＡｓＨ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、ホスフィン（ＰＨ３）を用いることができる。
次に、ウエハをアニールし、アモルファスシリコン膜２０５を底部から固相エピタキシャル成長（ＳＰＥ）により結晶成長させる（ステップ６、図２（ｆ））。つまり、アニールにより、アモルファスシリコン膜２０５が底部に移動するとともに、底部から結晶性シリコン層２０４の結晶構造を引き継ぐように固相エピタキシャル成長により結晶成長し、結晶性シリコン層２０４と一体となったエピタキシャル結晶層２０６が形成される。このとき、結晶化による体積変化により、エピタキシャル結晶層２０６と残存するアモルファスシリコン膜２０５は分離した状態となる。
ステップ６におけるウエハのアニールは、温度：３００〜６００℃、圧力：１．０×１０−１０〜１．０Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−８〜１３３Ｐａ）程度で行うことができる。また、アニールは、Ｈ２ガスを含有する雰囲気、またはＮ２ガス等の不活性ガスを含有する雰囲気で行うことができる。Ｈ２ガスを含有する雰囲気でアニールを行うことにより、シリコンのマイグレーションを抑制することができる。
次に、凹部２０２の側壁および絶縁膜２０１の上部に残存したアモルファスシリコン膜２０５をエッチングにより除去する（ステップ７、図２（ｇ））。
このときのエッチングは、アモルファスシリコン膜２０５とエピタキシャル結晶層２０６のエッチングレート差を利用してアモルファスシリコン膜２０５を選択的にエッチングする。
ステップ３のエッチングと同様、エッチングガスとしては、アモルファスシリコンをエッチングすることができるもの全般を用いることができ、特に限定されないが、例えば、Ｃｌ２、ＨＣｌ、Ｆ２、Ｂｒ２、ＨＢｒ等を好適に用いることができる。また、このようなエッチングガスによるエッチングとともに、またはこのようなエッチングガスによるエッチングに代えて、シリコンを除去することができる他のエッチングプロセスを用いてもよい。
ステップ７のエッチングの際の条件は、ステップ３と同様の条件で行うことができるがエピタキシャル結晶層２０６との間でエッチング選択性がとれるので、ステップ３の温度範囲よりも高い温度でアモルファスシリコン膜２０５を確実に除去するようにしてもよい。なお、残存するシリコン膜がポリシリコン膜であってもエピタキシャル結晶層２０６とのエッチングレート差により選択的にエッチングすることができる。
これにより、凹部２０２内にエピタキシャル結晶層２０６が埋め込まれた状態となる。エピタキシャル結晶層２０６の埋め込み高さが不十分な場合には、十分な埋め込み高さになるまで、上記ステップ５のアモルファスシリコン膜２０５の成膜、ステップ６のＳＰＥ工程、ステップ７のエッチングを複数回繰り返す。
以上のように、本実施形態では、トレンチやホール等の凹部２０２が形成された絶縁膜２０１を有する半導体ウエハに、凹部２０２を完全に満たさない程度のアモルファスシリコン膜２０３を成膜した後、エッチングガスを用いてエッチングし、凹部２０２の底部にアモルファスシリコン膜２０３を残存させ、引き続きアニールにより底部に残存したアモルファスシリコン膜２０３を結晶性シリコン層２０４とし、その上にアモルファスシリコン膜２０５を成膜した後、アニールしてＳＰＥによりエピタキシャル成長層２０６を形成する。したがって、絶縁膜２０１に形成された凹部２０２であっても、凹部２０２内に底部から固相エピタキシャル成長によりシリコン結晶層を選択的に成長させることができる。
これにより、凹部以外の余分な部分に結晶成長せず、また、凹部内にボイド等の欠陥を存在させずに良好な結晶を成長させることができる。
なお、ステップ５に用いるアモルファスシリコン膜２０５の代わりに、ゲルマニウム（Ｇｅ）膜またはシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）膜を用いてもよい。Ｇｅ膜の場合にはＧｅ原料ガスを用い、ＳｉＧｅ膜の場合にはＧｅ原料ガスおよびＳｉ原料ガスを用いて、ＣＶＤ法により成膜する。Ｇｅ原料ガスとしては、ＣＶＤ法に適用可能なＧｅ含有化合物全般を用いることができ特に限定されないが、ゲルマン系化合物、アミノゲルマン系化合物を好適に用いることができる。ゲルマン系化合物としては、例えば、モノゲルマン（ＧｅＨ４）、ジゲルマン（Ｇｅ２Ｈ６）等を挙げることができ、アミノゲルマン系化合物としては、トリスジメチルアミノゲルマン（ＧｅＨ（ＮＭｅ２）３）、ジメチルアミノゲルマン（ＧｅＨ３（ＮＭｅ２）２）、ビスジメチルアミノゲルマン（ＧｅＨ２（ＮＭｅ２）２）等を挙げることができる。もちろん他のゲルマン系ガス、アミノゲルマン系ガスであってもよい。
アモルファスシリコン膜２０５の代わりに、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜を用いた場合には、凹部２０２内に成長する結晶は、ＧｅまたはＳｉＧｅを主体としたものとなる。
＜成膜装置の一例＞
次に、本発明の凹部内の結晶成長方法の実施に用いることができる処理装置の一例について説明する。図３は、そのような処理装置の一例である成膜装置を示す縦断面図である。
成膜装置１は、天井部を備えた筒状の断熱体３と、断熱体３の内周面に設けられたヒータ４とを有する加熱炉２を備えている。加熱炉２は、ベースプレート５上に設置されている。
加熱炉２内には、例えば石英からなる、上端が閉じている外管１１と、この外管１１内に同心状に設置された例えば石英からなる内管１２とを有する２重管構造をなす処理容器１０が挿入されている。そして、上記ヒータ４は処理容器１０の外側を囲繞するように設けられている。
上記外管１１および内管１２は、各々その下端にてステンレス等からなる筒状のマニホールド１３に保持されており、このマニホールド１３の下端開口部には、当該開口を気密に封止するためのキャップ部１４が開閉自在に設けられている。
キャップ部１４の中心部には、例えば磁気シールにより気密な状態で回転可能な回転軸１５が挿通されており、回転軸１５の下端は昇降台１６の回転機構１７に接続され、上端はターンテーブル１８に固定されている。ターンテーブル１８には、保温筒１９を介して被処理基板である半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）を保持する基板保持具である石英製のウエハボート２０が載せられる。このウエハボート２０は、例えば５０〜１５０枚のウエハＷを所定間隔のピッチで積み重ねて収容できるように構成されている。
そして、昇降機構（図示せず）により昇降台１６を昇降させることにより、ウエハボート２０を処理容器１０内へ搬入搬出可能となっている。ウエハボート２０を処理容器１０内に搬入した際に、上記キャップ部１４がマニホールド１３に密接し、その間が気密にシールされる。
また、成膜装置１は、処理容器１０内へＳｉ原料ガスを導入するＳｉ原料ガス供給機構２１と、処理容器１０内へ不純物含有ガスを導入する不純物ガス導入供給機構２２と、処理容器１０内へエッチングガスを導入するエッチングガス供給機構２３と、処理容器１０内へパージガスやアニールガスを導入するパージ／アニールガス供給機構２４とを有している。これらＳｉ原料ガス供給機構２１と、Ｇｅ原料ガス供給機構２２と、エッチングガス供給機構２３と、パージ／アニールガス供給機構２４とはガス供給部を構成する。
Ｓｉ原料ガス供給機構２１は、Ｓｉ原料ガス供給源２５と、Ｓｉガス供給源２５から成膜ガスを導くＳｉ原料ガス配管２６と、Ｓｉ原料ガス配管２６に接続され、マニホールド１３の側壁下部を貫通して設けられた石英製のＳｉ原料ガスノズル２６ａとを有している。Ｓｉ原料ガス配管２６には、開閉バルブ２７およびマスフローコントローラのような流量制御器２８が設けられており、Ｓｉ原料ガスを流量制御しつつ供給することができるようになっている。
不純物ガス導入供給機構２２は、不純物ガス供給源２９と、不純物ガス供給源２９から不純物含有ガスを導く不純物含有ガス配管３０と、不純物含有ガス配管３０に接続され、マニホールド１３の側壁下部を貫通して設けられた石英製の不純物含有ガスノズル３０ａとを有している。不純物含有ガス配管３０には、開閉バルブ３１およびマスフローコントローラのような流量制御器３２が設けられており、不純物含有ガスを流量制御しつつ供給することができるようになっている。
エッチングガス供給機構２３は、エッチングガス供給源３３と、エッチングガス供給源３３から成膜ガスを導くエッチングガス配管３４と、エッチングガス配管３４に接続され、マニホールド１３の側壁下部を貫通して設けられた石英製のエッチングガスノズル３４ａとを有している。エッチングガス配管３４には、開閉バルブ３５およびマスフローコントローラのような流量制御器３６が設けられており、Ｇｅ原料ガスを流量制御しつつ供給することができるようになっている。
パージ／アニールガス供給機構２４は、不活性ガス供給源３７と、Ｈ２ガス供給源４１と、不活性ガス供給源３７から不活性ガスを導く不活性ガス配管３８と、不活性ガス配管３８に接続され、マニホールド１３の側壁下部を貫通して設けられたガスノズル３８ａと、Ｈ２ガス供給源４１からＨ２ガスを導き、不活性ガス配管３８に合流するＨ２ガス配管４２とを有している。不活性ガス配管３８およびＨ２ガス配管４２には、それぞれ、開閉バルブ３９および４３、ならびにマスフローコントローラのような流量制御器４０および４４が設けられている。
Ｓｉ原料ガス供給機構２１から供給されるＳｉ原料ガスは、上述したように、ＣＶＤ法に適用可能なＳｉ含有化合物であれば限定されないが、シラン系化合物、アミノシラン系化合物を好適に用いることができる。
不純物含有ガス供給機構２２から供給される不純物含有ガスも、上述したように、Ａｓ、Ｂ、Ｐが例示され、不純物含有ガスとしては、ＡｓＨ３、Ｂ２Ｈ６、ＢＣｌ３、ＰＨ３を用いることができる。
エッチングガス供給機構２３から供給されるエッチングガスも、上述したように、シリコンを除去することができるものであればよく、好適なものとしてＣｌ２、ＨＣｌ、Ｆ２、Ｂｒ２、ＨＢｒ等が例示される。
パージ／アニールガス供給機構２４から供給される不活性ガスとしては、Ｎ２ガスや、Ａｒガスのような希ガスを用いることができる。パージの際には不活性ガスが用いられ、アニールの際には不活性ガスまたはＨ２ガスが用いられる。
マニホールド１３の側壁上部には、外管１１と内管１２との間隙から処理ガスを排出するための排気管４５が接続されている。この排気管４５には処理容器１０内を排気するための真空ポンプ４６が接続されており、また排気管４５には圧力調整バルブ等を含む圧力調整機構４７が設けられている。そして、真空ポンプ４６で処理容器１０内を排気しつつ圧力調整機構４７で処理容器１０内を所定の圧力に調整するようになっている。
また、成膜装置１は制御部５０を有している。制御部５０は、成膜装置１の各構成部、例えばバルブ類、流量制御器であるマスフローコントローラ、ヒータ電源、昇降機構等の駆動機構等を制御するコンピュータ（ＣＰＵ）と、オペレータが成膜装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、成膜装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェースと、成膜装置１で実行される各種処理のパラメータや、処理条件に応じて成膜装置１の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわち処理レシピ等が格納された記憶部とを有しており、必要に応じて、ユーザーインターフェースからの指示等にて任意の処理レシピを記憶部から呼び出してコンピュータに実行させる。これにより、コンピュータの制御下で、成膜装置１で上述したような凹部の埋め込み方法が実施される。処理レシピは記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスク、ＤＶＤ、半導体メモリ等であってよい。
次に、以上のように構成される成膜装置により上述したような凹部内の結晶成長方法を実施する際の処理動作について説明する。以下の処理動作は制御部５０における記憶部の記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいて実行される。
最初に、上述したような所定パターンのトレンチやホール等の凹部が形成された絶縁膜を有する半導体ウエハＷをウエハボート２０に例えば５０〜１５０枚搭載し、ターンテーブル１８に保温筒１９を介してウエハＷを搭載したウエハボート２０を載置し、昇降台１６を上昇させることにより、下方開口部から処理容器１０内へウエハボート２０を搬入する。
このとき、ヒータ４によりウエハボート２０のセンター部（上下方向の中央部）の温度をアモルファスシリコン膜の成膜に適した温度、例えば、３００〜７００℃の範囲の所定温度になるように処理容器１０内を予め加熱しておく。そして、処理容器１０内を０．１〜１０Ｔｏｒｒ（１３．３〜１３３３Ｐａ）の圧力に調整した後、開閉バルブ２７を開にし、Ｓｉ原料ガス供給源２５からＳｉ原料ガス配管２６を介して処理容器１０（内管１２）内にＳｉ原料ガスとして例えばＳｉＨ４ガスを供給し、ウエハボート２０を回転させつつ、温度：３００〜７００℃、圧力：１．０×１０−１０〜１．０Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−８〜１３３Ｐａ）で、アモルファスシリコン膜の成膜を実施する。このときのガス流量は、流量制御器２８により５０〜５０００ｓｃｃｍの範囲内の所定流量に制御される。このとき、Ｓｉ原料ガスの供給と同時に、不純物含有ガス供給源２９から所定の不純物含有ガスを所定量で導入してもよい。処理容器１０内へアモルファスシリコン膜の成膜は、凹部を完全に満たさない程度の所定の膜厚になった時点で、開閉バルブ２７を閉じて終了する。
次に、真空ポンプ４６により排気管４５を介して処理容器１０内を排気するとともに、開閉バルブ３９を開放して、不活性ガス供給源３７からＮ２ガス等の不活性ガスを処理容器１０内に供給して処理容器１０内をパージし、ヒータ４により処理容器１０内の温度を２００〜５００℃の範囲の所定温度にする。次いで開閉バルブ３９を閉じ、開閉バルブ３５を開放して、エッチングガス供給源３３からエッチングガス配管３４を介して所定のエッチングガス、例えばＣｌ２ガスを処理容器１０内に供給し、凹部の底部にのみ、Ｖ字状ないしはＵ字状をなすように残存するようにする。所定時間経過後、開閉バルブ３５を閉じてエッチングを終了する。
次に、上記と同様に処理容器１０内の排気およびパージを行うとともに、ヒータ４により処理容器１０内の温度を５００℃以上、好ましくは５００〜７００℃の範囲内の所定温度にし、開閉バルブ３９を開放したまま、または開閉バルブ３９を閉じて開閉バルブ４３を開放し、または開閉バルブ３９開放したまま開閉バルブ４３も開放し、不活性ガスまたはＨ２ガスまたはそれらの両方を処理容器１０内に供給し、圧力を１．０×１０−１０〜１．０Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−８〜１３３Ｐａ）に調整し、ウエハＷに対してアニール処理を行う。これにより、ウエハＷの凹部底部に残存するアモルファスシリコン膜を結晶化させ、結晶性シリコン層とする。
次に、上記と同様に処理容器１０内の排気およびパージを行うとともに、ヒータ４により処理容器１０内の温度を３００〜７００℃の範囲の所定温度にする。次いで、処理容器１０内を０．１〜１０Ｔｏｒｒ（１３．３〜１３３３Ｐａ）の圧力に調整した後、開閉バルブ２７を開にし、Ｓｉ原料ガス供給源２５からＳｉ原料ガス配管２６を介して処理容器１０内にＳｉ原料ガスとして例えばＳｉＨ４ガスを供給し、温度：３００〜７００℃、圧力：１．０×１０−１０〜１．０Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−８〜１３３Ｐａ）で、凹部内底部の結晶性シリコン層の上にアモルファスシリコン膜の成膜を実施する。このときのガス流量は、流量制御器２８により５０〜５０００ｓｃｃｍの範囲内の所定流量に制御される。このとき、Ｓｉ原料ガスの供給と同時に、不純物含有ガス供給源２９から所定の不純物含有ガスを所定量で導入してもよい。アモルファスシリコン膜の成膜は、凹部を完全に満たさない程度の所定の膜厚になった時点で、開閉バルブ２７を閉じて終了する。
次に、上記と同様に処理容器１０内の排気およびパージを行うとともに、ヒータ４により処理容器１０内の温度を３００〜６００℃の範囲内の所定温度にし、開閉バルブ３９を開放したまま、または開閉バルブ３９を閉じて開閉バルブ４３を開放し、または開閉バルブ３９開放したまま開閉バルブ４３も開放し、不活性ガスまたはＨ２ガスまたはそれらの両方を処理容器１０内に供給し、圧力を１．０×１０−１０〜１．０Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−８〜１３３Ｐａ）に調整し、ウエハＷに対してアニール処理を行う。これにより、結晶性シリコン層の上のアモルファスシリコン膜の底部から、エピタキシャル結晶層を固相エピタキシャル成長（ＳＰＥ）により成長させる。
次に、上記と同様に処理容器１０内の排気およびパージを行うとともに、ヒータ４により処理容器１０内の温度および圧力を所定値に設定する。次いで、開閉バルブ３５を開放して、エッチングガス供給源３３からエッチングガス配管３４を介して所定のエッチングガス、例えばＣｌ２ガスを処理容器１０内に供給し、絶縁膜の上部および凹部内の側壁に残存するアモルファスシリコン膜を選択的にエッチングする。
制御部５０は、上記結晶性シリコン層成膜後のアモルファスシリコン膜の成膜、ＳＰＥによるエピタキシャル結晶層の形成、アモルファスシリコン膜の選択的エッチングを、所定高さのエピタキシャル結晶層が形成されるまで繰り返し実行させる。
以上の処理が終了後、真空ポンプ４６により排気管４５を介して処理容器１０内を排気しつつ、不活性ガスにより処理容器１０内のパージを行う。そして、処理容器１０内を常圧に戻した後、昇降台１６を下降させてウエハボート２０を搬出する。
以上のように、成膜装置１は、一度に多数のウエハの処理が可能であり、また、処理容器１０内で凹部内の結晶成長処理の全ての工程を連続して実施することができるので、処理のスループットが極めて高い。また、さらにスループットを高める観点から、各工程の温度差を極力小さくすることが好ましい。
なお、２回目のアモルファスシリコン膜の代わりにゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜を成膜する場合には、ゲルマニウム原料供給機構を付加すればよい。
実際の条件としては、以下のようなものを例示することができる。
・ウエハ枚数：１５０枚
・１回目のアモルファスシリコン膜成膜
温度：５００℃
圧力：２．０Ｔｏｒｒ（２６７Ｐａ）
ＳｉＨ４ガス流量：１０００ｓｃｃｍ
・１回目のエッチング
温度：４００℃
圧力：０．３Ｔｏｒｒ（４０Ｐａ）
Ｃｌ２ガス流量：１０００ｓｃｃｍ
・１回目のアニール（結晶性シリコン層の形成）
温度：６５０℃
圧力：８．８×１０−３Ｔｏｒｒ（１．２Ｐａ）
Ｎ２ガス流量：１５００ｓｃｃｍ
・２回目のアモルファスシリコン膜成膜
温度：４００℃
圧力：１．０Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）
Ｓｉ２Ｈ６ガス流量：２００ｓｃｃｍ
・２回目のアニール（ＳＰＥ工程）
温度：５５０℃
圧力：８．８×１０−３Ｔｏｒｒ（１．２Ｐａ）
Ｎ２ガス流量：１５００ｓｃｃｍ
・２回目のエッチング
温度：３００℃
圧力：０．５Ｔｏｒｒ（６７Ｐａ）
Ｃｌ２ガス流量：１０００ｓｃｃｍ
＜他の適用＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、この発明は、上記の実施形態に限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記実施形態では、本発明の方法を縦型のバッチ式装置により実施した例を示したが、これに限らず、横型のバッチ式装置や枚葉式装置等の他の種々の成膜装置により実施することもできる。また、全ての工程を一つの装置で実施する例を示したが、一部の工程（例えばエッチングやアニール）を他の装置で行ってもよい。
さらに、結晶成長させる材料は、ＳＰＥで成長させることができれば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウムに限定されるものではない。
さらにまた、被処理基板として半導体ウエハを用いた場合について示したが、これに限らず、フラットパネルディスプレイ用のガラス基板やセラミックス基板等、他の基板にも適用できることはいうまでもない。
１；成膜装置
２；加熱炉
４；ヒータ
１０；処理容器
２０；ウエハボート
２１；Ｓｉ原料ガス供給機構
２２；不純物含有ガス供給機構
２３；エッチングガス供給機構
４５；排気管
４６；真空ポンプ
５０；制御部
２００；Ｓｉ基体
２０１；絶縁膜
２０２；凹部（トレンチまたはホール）
２０３，２０５；アモルファスシリコン膜
２０４；結晶性シリコン層
２０６；エピタキシャル結晶層
Ｗ；半導体ウエハ（被処理基板）

Claims (13)

  1. 表面に凹部が形成された絶縁膜を有する被処理基板に対し、前記凹部内に結晶を成長させる、凹部内の結晶成長方法であって、
    （ａ）前記絶縁膜の表面に、前記凹部を完全に埋め込まない程度に第１の膜を成膜する工程と、
    （ｂ）次いで、前記第１の膜をエッチングガスによりエッチングして、前記凹部内の底部のみに前記第１の膜を残存させる工程と、
    （ｃ）次いで、前記被処理基板をアニールして、前記凹部内の底部に残存する第１の膜を結晶性層とする工程と、
    （ｄ）次いで、前記絶縁膜の表面および前記結晶性層の表面に、前記凹部を完全に埋め込まない程度に第２の膜を成膜する工程と、
    （ｅ）次いで、前記被処理基板をアニールして、前記第２の膜を前記凹部内の底部から固相エピタキシャル成長により結晶成長させ、エピタキシャル結晶層を形成する工程と、
    （ｆ）次いで、残存する前記第２の膜をエッチングガスによりエッチングして除去する工程と
    を有することを特徴とする凹部内の結晶成長方法。
  2. 前記（ｄ）工程、前記（ｅ）工程、および前記（ｆ）工程のシーケンスを複数回繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の凹部内の結晶成長方法。
  3. 前記第１の膜は、シリコン膜であり、前記第２の膜は、シリコン膜、ゲルマニウム膜、シリコンゲルマニウム膜のいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の凹部内の結晶成長方法。
  4. 前記シリコン膜は、シリコン原料ガスを用いたＣＶＤ法により形成され、前記ゲルマニウム膜は、ゲルマニウム原料ガスを用いたＣＶＤ法により形成され、前記シリコンゲルマニウム膜は、シリコン原料ガスおよびゲルマニウム原料ガスを用いたＣＶＤ法により形成されることを特徴とする請求項３に記載の凹部内の結晶成長方法。
  5. 前記シリコン原料ガスは、シラン系ガスまたはアミノシラン系ガスであり、前記ゲルマニウム原料ガスは、ゲルマン系ガスまたはアミノゲルマン系ガスであることを特徴とする請求項４に記載の凹部内の結晶成長方法。
  6. 前記（ｂ）工程および前記（ｆ）工程は、前記第１の膜および前記第２の膜がシリコン膜である場合に、前記エッチングガスは、Ｃｌ２、ＨＣｌ、Ｆ２、Ｂｒ２、ＨＢｒから選択されたものであることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の凹部内の結晶成長方法。
  7. 前記（ｂ）工程は、前記被処理基板の温度を２００〜５００℃にして行われることを特徴とする請求項６に記載の凹部内の結晶成長方法。
  8. 前記（ａ）工程および前記（ｄ）工程は、前記第１の膜および前記第２の膜がシリコン膜である場合に、前記被処理基板の温度を３００〜７００℃の範囲内にして行われることを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか１項に記載の凹部内の結晶成長方法。
  9. 前記（ｃ）工程は、前記第１の膜がシリコン膜である場合に、前記被処理基板の温度を５００℃以上にして行われることを特徴とする請求項３から請求項８のいずれか１項に記載の凹部内の結晶成長方法。
  10. 前記（ｅ）工程は、前記第２の膜がシリコン膜である場合に、前記被処理基板の温度を３００〜６００℃の範囲で行われることを特徴とする請求項３から請求項９のいずれか１項に記載の凹部内の結晶成長方法。
  11. 表面に凹部が形成された絶縁膜を有する被処理基板に対し、前記凹部内に結晶を成長させる処理装置であって、
    前記被処理基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器内にガスを供給するガス供給部と、
    前記処理容器内を加熱する加熱機構と、
    前記処理容器内を排気して減圧状態とする排気機構と、
    前記ガス供給部、前記加熱機構、および前記排気機構を制御する制御部と
    を具備し、
    前記制御部は、
    前記排気機構により前記処理容器内を所定の減圧状態に制御し、前記加熱機構により前記処理容器内を所定温度に制御し、
    前記ガス供給部から前記処理容器内に第１のガスを供給させて、前記絶縁膜の表面に、前記凹部を完全に埋め込まない程度に第１の膜を成膜させ、
    次いで、前記ガス供給部から前記処理容器内にエッチングガスを供給させ、前記第１の膜をエッチングさせて、前記凹部内の底部のみに前記第１の膜を残存させ、
    次いで、前記ガス供給部から前記処理容器内にアニールガスを供給させて、前記被処理基板をアニールさせ、前記凹部内の底部に残存する第１の膜を結晶性層とさせ、
    次いで、前記ガス供給部から前記処理容器内に第２のガスを供給させて、前記絶縁膜の表面および前記結晶性層の表面に、前記凹部を完全に埋め込まない程度に第２の膜を成膜させ、
    次いで、前記ガス供給部から前記処理容器内にアニールガスを供給させて、前記被処理基板をアニールさせ、前記第２の膜を前記凹部内の底部から固相エピタキシャル成長により結晶成長させ、
    次いで、前記ガス供給部から前記処理容器内にエッチングガスを供給させて、前記第２の膜をエッチングにより除去させることを特徴とする処理装置。
  12. 前記処理容器は、前記被処理基板が複数保持された基板保持具が収容され、複数の基板に対して処理が行われることを特徴とする請求項１１に記載の処理装置。
  13. コンピュータ上で動作し、処理装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項１から請求項１０のいずれかの凹部内の結晶成長方法が行われるように、コンピュータに前記処理装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。
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