JP2018160585A - 加熱方法、成膜方法、半導体装置の製造方法、および成膜装置 - Google Patents

加熱方法、成膜方法、半導体装置の製造方法、および成膜装置 Download PDF

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孝広 宮原
Takahiro Miyahara
孝広 宮原
博紀 村上
Hiroki Murakami
博紀 村上
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Tokyo Electron Ltd
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Abstract

【課題】表面にＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜が存在する基板を、大気雰囲気から処理容器内に搬入して加熱する際に、４５０℃を超える高温であってもＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜の表面が劣化し難い技術を提供する。【解決手段】表面にＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成された基板を加熱するにあたり、少なくとも一時大気雰囲気に保持した基板を、処理容器内に搬入し、処理容器内を水素ガス含有雰囲気とした状態で前記基板を加熱する。この方法は、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成された基板を、少なくとも一時大気雰囲気に保持した後、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を成膜する成膜装置の処理容器内に搬入し、成膜温度まで加熱する際に有効である。【選択図】図１

Description

本発明は、表面にゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜を有する基板を加熱する加熱方法、成膜方法、半導体装置の製造方法、および成膜装置に関する。
近時、半導体集積回路装置には、動作の高速化が要求されている。動作の高速化は、主にトランジスタ等の半導体デバイスの微細化、配線の低抵抗化、層間絶縁膜の低誘電率化等によって牽引されている。しかし、これらの技術による動作の高速化では、限界が近づきつつある。
そこで、さらなる動作の高速化を図るために、従来から用いられている半導体材料であるシリコン（Ｓｉ）に代えて、よりキャリア移動度が高い半導体材料であるゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）が注目されており（特許文献１）、トランジスタのチャネル部材料への適用が検討されている。
特開２００８−７１８１４号公報
ところで、ＧｅやＳｉＧｅからなるチャネル部の上のゲート絶縁膜としては、微細化に対応して高誘電率膜（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）が多用されているが、不純物が少ない高品質な膜のニーズは高く、そのためＨｉｇｈ−ｋ膜を、４５０℃を超える温度、特に５００〜６００℃の高温で成膜することが求められる場合がある。
しかしながら、表面にＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜を有する基板が、大気雰囲気から処理容器内に搬入され、４５０℃を超える温度に加熱されると、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜がエッチングされてその表面状態が著しく劣化してしまうことが判明した。このため、本来の高品質化に必要な温度よりも低い温度で成膜したり、フラッシュランプアニール等の最表面付近しか温度影響を与えない特殊な手法を使用したりせざるを得ない。
したがって、本発明は、表面にＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜が存在する基板を、大気雰囲気から処理容器内に搬入して加熱する際に、４５０℃を超える高温であってもＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜の表面が劣化し難い技術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、表面にゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜が形成された基板を加熱する加熱方法であって、少なくとも一時大気雰囲気に保持した前記基板を、処理容器内に搬入する工程と、前記処理容器内を水素ガス含有雰囲気とした状態で前記基板を加熱する工程とを有することを特徴とする加熱方法を提供する。
本発明の第２の観点は、表面にゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜が形成された基板に高誘電率膜を成膜する成膜方法であって、少なくとも一時大気雰囲気に保持した前記基板を、成膜装置の処理容器内に搬入する工程と、前記処理容器内を水素ガス含有雰囲気とした状態で少なくとも成膜温度に達するまで前記基板を加熱する工程と、前記基板が前記成膜温度に達した後、前記高誘電率膜を成膜するための成膜原料ガスと、酸化ガスとを供給して、前記ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜の表面に高誘電率膜を成膜する工程とを有することを特徴とする成膜方法を提供する。
本発明の第３の観点は、表面にゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜が形成された基板に高誘電率膜を成膜する成膜装置であって、前記ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜が形成された基板を収容する処理容器と、前記処理容器内に高誘電率膜を成膜するための所定の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、少なくとも前記基板の温度が前記高誘電率膜の成膜温度まで達する期間、前記処理容器内が所定の水素ガス含有雰囲気になるようにガス供給部からのガス供給を制御することを特徴とする成膜装置を提供する。
本発明の第４の観点は、半導体基板の上に絶縁膜を介して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工程と、前記ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜の上に高誘電率膜を成膜する工程と、前記高誘電率膜の上に導電膜を成膜する工程と、前記導電膜および前記高誘電率膜のエッチング、および前記ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜に対するイオン注入を行って、ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜からなるチャネル部ならびにソース電極およびドレイン電極、前記高誘電率膜からなるゲート絶縁膜、前記導電膜からなるゲート電極を形成する工程とを有し、前記ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜を成膜した後、少なくとも一時大気雰囲気に保持した前記半導体基板を、前記高誘電率膜を成膜する成膜装置の処理容器内に搬入し、前記処理容器内を水素ガス含有雰囲気とした状態で少なくとも成膜温度に達するまで前記半導体基板を加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
本発明によれば、少なくとも一時大気雰囲気に保持した、表面にゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜が形成された基板を、処理容器内に搬入し、処理容器内を水素ガス含有雰囲気とした状態でその基板を加熱することにより、ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜のエッチング反応が抑制され、４５０℃を超える高温であってもゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜の表面の劣化を抑制することができる。
第１の実施形態の加熱方法を示すフローチャートである。 ＳｉＮ膜の上に膜厚約４５ｎｍのＧｅ膜を形成したサンプルについて、Ｎ２ガス雰囲気下で加熱温度を４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃で加熱処理した際の平面および断面のＳＥＭ写真を示す図である。 Ｎ２ガス雰囲気下で加熱した際のエッチングのメカニズムを説明するための模式図である。 Ｈ２ガスを含む雰囲気下で加熱した際の状態を説明するための模式図である。 ＳｉＮ膜の上に膜厚約４５ｎｍのＧｅ膜を形成したサンプルについて、Ｈ２ガス雰囲気下で加熱温度を５００℃、５５０℃、６００℃で加熱処理した際の平面および断面のＳＥＭ写真である。 第２の実施形態に用いられるＨｉｇｈ−ｋ膜を成膜する成膜装置の一例を示す縦断面図である。 図６に示す成膜装置の水平断面図である。 Ｈｉｇｈ−ｋ膜の成膜温度が４５０℃を超える場合に、表面にＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成されたウエハを不活性ガスで成膜温度まで加熱したときのＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜とＨｉｇｈ−ｋ膜との界面の状態を示す図である。 第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。 第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。
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。
＜第１の実施形態＞
まず、第１の実施形態として、本発明の加熱方法の基本例について説明する。
図１は、第１の実施形態の加熱方法を示すフローチャートである。
本例では、最初に、基板として表面にＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成されたシリコンウエハ等の半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す。）を少なくとも一時大気雰囲気に保持した後、処理容器内に搬入する（ステップ１）。
表面にＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成されたウエハにおけるＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜は、例えばトランジスタのチャネル部として用いられる。ＳｉＧｅ膜としては、Ｇｅリッチのものであることが好ましく、特にＳｉが１０ａｔ．％以下であることが好ましい。
次に、処理容器内でＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成されたウエハを加熱する（ステップ２）。本実施形態では、この加熱の際に、水素ガス（Ｈ２ガス）を含む雰囲気とする。
この加熱は特に限定されないが、例えば、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜からなるトランジスタのチャネル部の上に、ゲート絶縁膜としてＨｉｇｈ−ｋ膜を成膜する成膜装置において、成膜温度までの加熱を挙げることができる。
従来は、このような加熱に際しては、処理容器内を排気しつつ、処理容器内にパージガスとしてＮ２ガスやＡｒガス等の不活性ガスを供給し、減圧状態の不活性雰囲気としていた。
しかし、例えば、ゲート絶縁膜としてＨｉｇｈ−ｋ膜を形成する際、不純物が少ない高品質の膜を成膜するために、４５０℃を超える高い温度、特に５００〜６００℃が要求されることがあるが、従来のように、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成されたウエハを、大気雰囲気から処理容器内に搬入し、その中で不活性ガス雰囲気で４５０℃を超える高い温度に加熱すると、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜がエッチングされることが判明した。
以下に、このことを検証した実験について説明する。
図２は、ＳｉＮ膜の上に膜厚約４５ｎｍのＧｅ膜を形成したサンプルについて、Ｎ２ガス雰囲気下（Ｎ２ガス流量：１０００ｓｃｃｍ）で加熱温度を４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃で加熱処理した際の平面および断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す図である。圧力は０．５Ｔｏｒｒ、保持時間は１０ｓｅｃとした。
この図に示すように、４５０℃ではＧｅ膜に変化は見られないが、５００℃でわずかな表面の荒れが見られ、５５０℃以上では激しく侵食され、６００℃では虫食い状となっている。この図に示すように、侵食部分は急峻な孔食状であるため、この侵食はマイグレーションではなくエッチングによるものであると考えられる。
このようなエッチングのメカニズムを検討した結果、以下のようなものであることに想到した。このときのエッチングのメカニズムについて図３を参照して説明する。
加熱前のイニシャル状態では、大気雰囲気中で保持されていることから、図３（ａ）に示すように、下地のＳｉＮ膜２０１上にその表面に形成された自然酸化膜２０２を介してＧｅ膜２０３が形成されており、Ｇｅ膜２０３の表面には自然酸化膜２０４が形成されている。
Ｇｅ膜２０３は、通常、化学蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｚｉｓｉｏｎ；ＣＶＤ）により成膜され、Ｇｅは水素化物の状態で存在していると考えられる。Ｇｅ膜２０３が形成されたウエハをＮ２ガス雰囲気で加熱すると、初期には、図３（ｂ）に示すように、以下の（１）式に示すような、ゲルマニウムの水素化物と自然酸化膜中のＯ２との反応によりＧｅＯ２となって気化する反応が進行するとともに、（２）式のようなＮ２ガスとの反応によりＧｅＮとなって気化する反応が進行する。
ＧｅＨ４＋Ｏ２ ⇔ ＧｅＯ２↑＋２Ｈ２ ・・・（１）
２ＧｅＨ４＋Ｎ２ ⇔ ２ＧｅＮ↑＋４Ｈ２ ・・・（２）
これらの反応は昇温過程で進行し、図３（ｃ）に示すように局部的にエッチングされて孔２０５が形成され、最終的には図３（ｄ）に示すように、孔２０５がＧｅ膜の厚さ方向に貫通するようになる。
不活性ガスとしてＡｒガスのような希ガスを用いる場合には、（２）式の反応は生じないが、上記（１）の反応が進行し、やはりエッチングが生じる。
このような現象はＳｉＧｅ膜でも同様に生じ、ＧｅリッチのＳｉＧｅ膜、特にＳｉが１０ａｔ．％以下のＳｉＧｅ膜において顕著である。
エッチングがこのようなメカニズムで生じるならば、エッチングを抑制するためには、上記（１）式および（２）式の反応を右側に進行させないことが必要であり、そのためには、過剰な水素を供給することによって（１）式および（２）式の化学平衡反応を左側（未分解側）にシフトさせることが有効である。
すなわち、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成されたウエハＷを加熱している間、Ｈ２ガスを含む雰囲気とすると、図４（ａ）に示すイニシャル状態から加熱しても、上記（１）式および（２）式が右側に進行しないから、加熱しても、図４（ｂ）に示すように、ＧｅＯ２やＧｅＮが発生せず、エッチングが生じない。
実際に、ＳｉＮ膜の上に膜厚約４５ｎｍのＧｅ膜を形成したサンプルについて、Ｈ２ガス雰囲気下（Ｈ２流量：５０００ｓｃｃｍ）で加熱温度を５００℃、５５０℃、６００℃で加熱処理した際の平面および断面のＳＥＭ写真を図５に示す。この際の圧力は０．５Ｔｏｒｒ、保持時間は１０ｓｅｃとした。Ｈ２ガスは昇温〜降温まで流し続けた。
図５のＳＥＭ写真に示すように、６００℃まで、Ｇｅ膜に変化が見られず、エッチングが抑制されていることが確認された。
このように、本実施形態によれば、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成されたウエハＷを、少なくとも一時大気雰囲気に保持した後、処理容器内に搬入して加熱する際に、処理容器内をＨ２ガスを含む雰囲気とすることにより、高温加熱でもＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜の表面のエッチングによる劣化を抑制することができる。
ステップ２の加熱において、Ｈ２ガス雰囲気はＨ２ガスのみを流してもよいし、Ｈ２ガスにＡｒガス等の希ガスやＮ２ガスのような不活性ガスを加えてもよい。また、この加熱の際に、界面制御を目的とした硫化処理等の処理を兼ねる場合には、Ｈ２ガスにその処理を行う処理ガス、例えばＨ２Ｓを加えてもよい。
なお、特開２０１０−３４５８０号公報には、ＳｉＧｅ膜を成膜した後、反応容器内に水素ガスを供給してアニールすることが記載されているが、この技術は、ＳｉＧｅ膜を成膜した後に生じるマイグレーションを防止するために、成膜を行った反応容器内でアニールするものであり、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成されたウエハＷを大気雰囲気から処理容器に搬入して加熱する際のエッチングを抑制する本発明とは全く異なるものである。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態として、本発明の加熱方法をＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成されたウエハＷにＨｉｇｈ−ｋ膜を成膜する場合に適用した例について説明する。
［成膜装置］
まず、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を成膜する成膜装置の一例について説明する。
図６はそのような成膜装置を示す縦断面図、図７は図６に示す成膜装置の水平断面図である。
本例の成膜装置は、表面にＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成された基板である半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）に対し、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を成膜する縦型バッチ式成膜装置である。
本例の成膜装置１００は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理容器１を有している。この処理容器１の全体は、例えば石英により形成されており、この処理容器１内の天井には、石英製の天井板２が設けられて封止されている。後述するように、処理容器１は加熱装置により加熱されるようになっており、ホットウォールタイプの成膜装置として構成される。また、この処理容器１の下端開口部には、例えばステンレススチールにより円筒体状に成形されたマニホールド３がＯリング等のシール部材４を介して連結されている。
上記マニホールド３は処理容器１の下端を支持しており、このマニホールド３の下方から５０〜１５０枚のウエハＷが多段に載置された石英製のウエハボート５が、処理容器１内に挿入可能となっている。このウエハボート５は３本の支柱６を有し（図７参照）、支柱６に形成された溝により多数枚のウエハＷが支持されるようになっている。
このウエハボート５は、石英製の保温筒７を介してテーブル８上に載置されており、このテーブル８は、マニホールド３の下端開口部を開閉する例えばステンレススチール製の蓋部９を貫通する回転軸１０上に支持される。
そして、この回転軸１０の貫通部には、例えば磁性流体シール１１が設けられており、回転軸１０を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部９の周辺部とマニホールド３の下端部との間には、例えばＯリングよりなるシール部材１２が介設されており、これにより処理容器１内のシール性を保持している。
回転軸１０は、例えばボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム１３の先端に取り付けられており、ウエハボート５および蓋部９等を一体的に昇降して処理容器１内に挿入されるようになっている。なお、上記テーブル８を上記蓋部９側へ固定して設け、ウエハボート５を回転させることなくウエハＷの処理を行うようにしてもよい。
成膜装置１００は、処理容器１内へＨｉｇｈ−ｋ膜を成膜するための成膜原料ガスを供給する成膜原料ガス供給機構１４と、処理容器１内へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給機構１５と、処理容器１内へ水素ガス（Ｈ２ガス）を供給するＨ２ガス供給機構１６と、処理容器１内へ不活性ガス、例えばＮ２ガスやＡｒガスを供給する不活性ガス供給機構２６を有している。
成膜原料ガス供給機構１４は、成膜原料ガス供給源１７と、成膜原料ガス供給源１７から原料ガスを導く成膜原料ガス配管１８と、この成膜原料ガス配管１８に接続され、マニホールド３の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる石英管よりなる成膜原料ガス分散ノズル１９とを有している。成膜原料ガス分散ノズル１９には、その長さ方向に沿って複数のガス吐出孔１９ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス吐出孔１９ａから水平方向に処理容器１内のウエハＷに略均一に成膜原料ガスを吐出することができるようになっている。
酸化ガス供給機構１５は、酸化ガス供給源２０と、酸化ガス供給源２０からエッチングガスを導く酸化ガス配管２１と、この酸化ガス配管２１に接続され、マニホールド３の側壁を貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる石英管よりなる酸化ガス分散ノズル２２とを有している。酸化ガス分散ノズル２２には、その長さ方向に沿って複数のガス吐出孔２２ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス吐出孔２２ａから水平方向に処理容器１内のウエハＷに略均一に酸化ガスを吐出することができるようになっている。
Ｈ２ガス供給機構１６は、Ｈ２ガス供給源２３と、Ｈ２ガス供給源２３からＨ２ガスを導くＨ２ガス配管２４と、このＨ２ガス配管２４に接続され、マニホールド３の側壁を内側へ貫通する石英管よりなるＨ２ガスノズル２５とを有している。
さらに、不活性ガス供給機構２６は、不活性ガス供給源２７と、不活性ガス供給源２７から不活性ガスを導く不活性ガス配管２８と、この不活性ガス配管２８に接続され、マニホールド３の側壁を貫通して設けられた不活性ガスノズル２９とを有している。
成膜原料ガス配管１８には、開閉バルブ１８ａおよびマスフローコントローラのような流量制御器１８ｂが設けられており、成膜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。また、酸化ガス配管２１には、開閉バルブ２１ａおよび流量制御器２１ｂが設けられており、酸化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。Ｈ２ガス配管２４には、開閉バルブ２４ａおよび流量制御器２４ｂが設けられており、Ｈ２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。不活性ガス配管２８には開閉バルブ２８ａおよびマスフローコントローラのような流量制御器２８ｂが設けられており、不活性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。
成膜原料ガス分散ノズル１９および酸化ガス分散ノズル２２は処理容器１の一方側に設けられ、処理容器１のこれらと反対側の部分には、処理容器１内を真空排気するための排気口３７が、処理容器１の側壁の上下方向に細長く形成されている。処理容器１の排気口３７に対応する部分には、排気口３７を覆うように断面Ｕ字状に成形された排気口カバー部材３８が取り付けられている。この排気口カバー部材３８の下部には、排気口３７を介して処理容器１内を排気するための排気管３９が接続されている。排気管３９には、処理容器１内の圧力を制御する圧力制御バルブ４０および真空ポンプ等を含む排気装置４１が接続されており、排気装置４１により排気管３９を介して処理容器１内が排気されるとともに、処理容器１内が所定の減圧状態に調整される。
処理容器１の外側には、処理容器１を囲むようにして、処理容器１およびその内部のウエハＷを加熱するための筒体状の加熱装置４２が設けられている。
成膜装置１００は制御部５０を有している。制御部５０は、成膜装置１００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、昇降機構等の駆動機構、ヒータ電源等を制御する。制御部５０は、ＣＰＵ（コンピュータ）を有し、上記制御を行う主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置を有している。記憶装置には、成膜装置１００で実行される処理を制御するためのプログラム、すなわち処理レシピが格納された記憶媒体がセットされ、主制御部は、記憶媒体に記憶されている所定の処理レシピを呼び出し、その処理レシピに基づいて成膜装置１００により所定の処理が行われるように制御する。
［成膜方法］
次に、上記成膜装置を用いた、成膜方法の一例について説明する。
本例では、例えばチャネル部として表面にＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成されたウエハＷについて、ゲート絶縁膜としてＨｉｇｈ−ｋ膜を成膜する。
成膜に際しては、大気雰囲気において、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成されたウエハＷを複数枚、例えば５０〜１５０枚ウエハボート５に搭載し、そのウエハボート５を成膜装置１００内の処理容器１内に下方から挿入することにより、複数のウエハＷが処理容器１内に収容される。そして、蓋部９でマニホールド３の下端開口部を閉じることにより処理容器１内の空間を密閉空間とする。そして、加熱装置４２によりウエハＷを成膜温度まで加熱する。
このとき、処理容器１内を排気装置４１により排気しつつ、Ｈ２ガス供給機構１６から処理容器１内にＨ２ガスを供給し、所定の減圧状態のＨ２ガス雰囲気とする。Ｈ２ガスとともに不活性ガス供給機構２６から不活性ガスを供給してもよい。処理容器１内の圧力は、例えば０．１〜５００Ｔｏｒｒ（１３．３３〜６６６６１．１８Ｐａ）とし、Ｈ２ガスの流量は、例えば、１０〜１００００ｓｃｃｍとする。
ウエハＷの温度が成膜温度に達した時点で、成膜原料ガス供給機構１４および酸化ガス供給機構１５から、成膜原料ガスと酸化ガスを供給してＨｉｇｈ−ｋ膜の成膜を開始する。Ｈｉｇｈ−ｋ膜の成膜は、ＣＶＤまたは原子層堆積法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＡＬＤ）により行われる。Ｈｉｇｈ−ｋ膜としては、ＨｆＯ２膜、ＺｒＯ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、Ｌａ２Ｏ３膜、ＴｉＯ２膜、またはこれらの複合膜等を挙げることができる。成膜原料としては、これらの膜の成膜に適したもの、例えば、ＨｆＯ２膜の場合は、テトラキスジメチルアミノハフニウム（Ｈｆ（ＮＣＨ３）２）４：ＴＤＭＡＨ）のような有機ハフニウム化合物や、塩化ハフニウム（ＨｆＣｌ４）等が用いられる。また、酸化ガスとしては、Ｏ３ガス、Ｈ２Ｏガス、Ｏ２ガス、ＮＯ２ガス、ＮＯガス、Ｎ２Ｏガス等を用いることができる。
Ｈｉｇｈ−ｋ膜をゲート絶縁膜として用いる場合、膜中に不純物が存在すると、不純物が固定電荷となってチャネル部のキャリアの移動を阻害する。このため、不純物が少ない高品質の膜とすることが要求される。例えばＨｉｇｈ−ｋ膜としてＨｆＯ２を用いる場合、不純物としてＨ２Ｏが存在するがこれを極力少なくすることが求められる。このため、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の成膜に、４５０℃を超える高い温度、特に５００〜６００℃が必要とされる場合がある。
従来の不活性雰囲気での加熱場合、４５０℃を超えて、このような高温の成膜温度までウエハＷを加熱すると、ウエハＷのＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜の表面に自然酸化膜が形成されているため、上述したように、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜がエッチングされ、その上にＨｉｇｈ−ｋ膜１０２を成膜すると、図８に示すように、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜１０１とＨｉｇｈ−ｋ膜１０２との界面のラフネスが増加する。このため、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜１０１をチャネル部とする場合、キャリアの散乱が生じてキャリアの移動度が低下してしまう。
これに対して、本実施形態においても、ウエハＷを成膜温度まで加熱する際の雰囲気をＨ２ガス含有雰囲気とするので、上述したように、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜のエッチングが抑制され、界面ラフネス散乱によるキャリア移動度の低下を抑制することができる。
Ｈ２ガスは、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の成膜の開始前に停止してもよいが、成膜に悪影響を与えない限り、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の成膜中に供給し続けてもよい。これによりＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜のエッチングをより確実に防止することができる。
成膜終了後、成膜原料ガスおよび酸化ガスを停止し、処理容器１内をパージする。このパージの際には、不活性ガスを用いるが、Ｈ２ガスを添加してもよい。その後、処理容器１内を大気圧に戻して処理を終了する。
＜第３の実施形態＞
本実施形態では、本発明の加熱方法を適用した半導体装置の製造方法について示す。
図９は第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャート、図１０はその工程断面図である。
まず、半導体基板であるシリコン基板１１０の上に常法に従って、絶縁膜、例えばＳｉＯ２膜１１１を成膜する（ステップ１１、図１０（ａ））。
次に、ＳｉＯ２膜１１１の上に、チャネル部となるＧｅ膜またはＳｉＧｅ膜１１２を成膜する（ステップ１２、図１０（ｂ））。このとき、第２の実施形態と同様の縦型バッチ式成膜装置を用いることができる。Ｇｅ膜は、Ｇｅ原料ガスを用い、ＳｉＧｅ膜は、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原料としては、モノゲルマン（ＧｅＨ４）、ジゲルマン（Ｇｅ２Ｈ６）、アミノゲルマン系化合物等を用いることができ、Ｓｉ原料としては、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、アミノシラン系化合物を用いることができる。
次に、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜１１２の上に、ゲート絶縁膜となるＨｉｇｈ−ｋ膜１１３を成膜する（ステップ１３、図１０（ｃ））。Ｈｉｇｈ−ｋ膜１１３の成膜は、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜１１２を形成した後の基板を大気雰囲気に取り出し、その後第２の実施形態に示した縦型バッチ式成膜装置に搬入して成膜する。このとき、少なくとも成膜温度までの加熱をＨ２ガス含有雰囲気で行う。
次に、Ｈｉｇｈ−ｋ膜１１３の上に、ゲート電極となる導電膜１１４を成膜する（ステップ１４、図１０（ｄ））。ゲート電極となる導電膜１１４としては、ポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、チタンナイトライド（ＴｉＮ）を挙げることができる。
その後、導電膜１１４およびＨｉｇｈ−ｋ膜１１３のエッチング、およびイオン注入等の後工程を行い、ＭＯＳ型半導体装置（電界効果トランジスタ）を製造する（ステップ１５、図１０（ｅ））。すなわち、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜１１２からなるチャネル部１２１、Ｈｉｇｈ−ｋ膜１１３からなるゲート絶縁膜１２２、導電膜１１４からなるゲート電極１２３、ソース電極１２４およびドレイン電極１２５を有する半導体装置が製造される。なお、１２６はサイドウォールスペーサである。
以上のような半導体装置の製造方法においては、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜１１２を成膜した後、基板を大気雰囲気中に取り出し、その後Ｈｉｇｈ−ｋ膜１１３成膜用の処理容器内に搬入してＨｉｇｈ−ｋ膜を成膜する際に、少なくともＨｉｇｈ−ｋ膜１１３の成膜温度までの加熱をＨ２ガス雰囲気で行うので、Ｈｉｇｈ−ｋ膜１１３の成膜温度が４５０℃を超える高温、例えば５００〜６００℃となっても、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜１１２のエッチングが抑制される。このため、チャネル部１２１とゲート絶縁膜１２２との界面のラフネスを小さくすることができ、キャリアの移動度を高くすることができるので、ＧｅやＳｉＧｅ本来の高キャリア移動度を発揮することができる。
＜他の適用＞
以上、本発明の実施の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、上記実施の形態では、本発明の加熱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、上記実施形態では、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成された基板に対して、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を成膜する前の加熱を行うときに本発明を適用する例を示したが、これに限らず、Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜が形成された基板を加熱する場合の全般に適用することが可能である。
１；処理容器
５；ウエハボート
１４；成膜原料ガス供給機構
１５；酸化ガス供給機構
１６；Ｈ２ガス供給機構
２６；不活性ガス供給機構
４１；排気装置
４２；加熱装置
１００；成膜装置
１０１，１１２；Ｇｅ膜またはＳｉＧｅ膜
１０２，１１３；Ｈｉｇｈ−ｋ膜
１１０；シリコン基板
１１１；ＳｉＯ２膜
１１４；導電膜
１２１；チャネル部
１２２；ゲート絶縁膜
１２３；ゲート電極
１２４；ソース
１２５；ドレイン
２０１；ＳｉＮ膜
２０２，２０４；自然酸化膜
２０３；Ｇｅ膜
２０５；孔
Ｗ；半導体ウエハ（基板）

Claims (13)

  1. 表面にゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜が形成された基板を加熱する加熱方法であって、
    少なくとも一時大気雰囲気に保持した前記基板を、処理容器内に搬入する工程と、
    前記処理容器内を水素ガス含有雰囲気とした状態で前記基板を加熱する工程と
    を有することを特徴とする加熱方法。
  2. 前記基板の加熱温度は４５０℃を超える温度であることを特徴とする請求項１に記載の加熱方法。
  3. 前記加熱する工程は、前記ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜の上に高誘電率膜を成膜する際の成膜温度までの加熱を行うことを特徴とする請求項２に記載の加熱方法。
  4. 前記水素ガス含有雰囲気は、水素ガスのみの雰囲気、または水素ガスと不活性ガスとを含む雰囲気であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の加熱方法。
  5. 表面にゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜が形成された基板に高誘電率膜を成膜する成膜方法であって、
    少なくとも一時大気雰囲気に保持した前記基板を、成膜装置の処理容器内に搬入する工程と、
    前記処理容器内を水素ガス含有雰囲気とした状態で少なくとも成膜温度に達するまで前記基板を加熱する工程と、
    前記基板が前記成膜温度に達した後、前記高誘電率膜を成膜するための成膜原料ガスと、酸化ガスとを供給して、前記ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜の表面に高誘電率膜を成膜する工程と
    を有することを特徴とする成膜方法。
  6. 前記成膜温度は、４５０℃を超える温度であることを特徴とする請求項５に記載の成膜方法。
  7. 前記成膜温度は、５００〜６００℃であることを特徴とする請求項６に記載の成膜方法。
  8. 前記水素ガス含有雰囲気は、水素ガスのみの雰囲気、または水素ガスと不活性ガスとを含む雰囲気を含むことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の成膜方法。
  9. 表面にゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜が形成された基板に高誘電率膜を成膜する成膜装置であって、
    前記ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜が形成された基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器内に高誘電率膜を成膜するための所定の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、
    少なくとも前記基板の温度が前記高誘電率膜の成膜温度まで達する期間、前記処理容器内が所定の水素ガス含有雰囲気になるようにガス供給部からのガス供給を制御することを特徴とする成膜装置。
  10. 前記制御部は、前記成膜温度が４５０℃を超える温度になるように前記加熱機構を制御することを特徴とする請求項９に記載の成膜装置。
  11. 前記制御部は、前記成膜温度が５００〜６００℃になるように前記加熱機構を制御することを特徴とする請求項１０に記載の成膜装置。
  12. 前記水素ガス含有雰囲気は、水素ガスのみの雰囲気、または水素ガスと不活性ガスとを含む雰囲気を含むことを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の成膜装置。
  13. 半導体基板の上に絶縁膜を介して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工程と、
    前記ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜の上に高誘電率膜を成膜する工程と、
    前記高誘電率膜の上に導電膜を成膜する工程と、
    前記導電膜および前記高誘電率膜のエッチング、および前記ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜に対するイオン注入を行って、ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜からなるチャネル部ならびにソース電極およびドレイン電極、前記高誘電率膜からなるゲート絶縁膜、前記導電膜からなるゲート電極を形成する工程と
    を有し、
    前記ゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜を成膜した後、少なくとも一時大気雰囲気に保持した前記半導体基板を、前記高誘電率膜を成膜する成膜装置の処理容器内に搬入し、前記処理容器内を水素ガス含有雰囲気とした状態で少なくとも成膜温度に達するまで前記半導体基板を加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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