JP3636962B2

JP3636962B2 - 半導体製造方法

Info

Publication number: JP3636962B2
Application number: JP2000108563A
Authority: JP
Inventors: 博之長谷川; 智則山岡; 良夫石原; 宏増崎
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2020-04-10
Also published as: JP2001291671A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば反応室内に配置したシリコン基板上に反応性ガスを用いてエピタキシャル成長等を行う半導体製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン基板上にＬＳＩ等の半導体回路を形成するための製造工程として、表面にシリコン薄膜をエピタキシャル成長させる工程、例えば図３に示すように、ＳｉＯ₂膜（酸化シリコン）１がパターン形成されたシリコン基板Ｗの表面のうちシリコンが露出した領域に選択的にシリコン膜２をエピタキシャル成長させる工程やＭＯＳデバイス用の基板として、極めて低い抵抗率のシリコン基板上に、所定の不純物濃度で単結晶シリコン薄膜（エピタキシャル層）を気相成長させる工程等が用いられる場合がある。
【０００３】
これらの製造工程では、プロセスチャンバ内にシリコン基板を配置して反応性のソースガスを流し、基板上にエピタキシャル成長を行うものである。
また、腐食ガス処理を用いる他の製造工程として、反応性ガスの反応により基板上に薄膜を形成する種々のＣＶＤ工程や微細パターンを形成するエッチング工程等が用いられている。
【０００４】
従来、プロセス条件と反応性ガス処理の特性との相関を調べるためには、プロセスモニターウェーハをプロセス後に化学的分析（原子吸光分析、放射化分析等）、物理的分析（ＳＩＭＳ、ＴＸＲＦ等）又は電気的分析（ＤＬＴＳ、ＳＰＶ、ライフタイム等）により直接的に解析し、その結果をフィードバックするしか手段が無かった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の半導体製造技術には、以下のような課題が残されている。すなわち、実際のプロセスではプロセスチャンバ内の水分濃度がプロセス毎に一定であるとは限らず、プロセスモニターウェーハの解析によるフィードバックで条件設定しても、水分濃度の変動によって反応性ガス処理によるプロセス特性にバラツキが生じてしまう場合がある。例えば、上述した選択エピタキシャル成長を行う場合には、ＳｉＯ₂膜１に含まれている水分（吸着水分）がプロセス前の基板ベーキング中に脱離してプロセスチャンバ内の水分濃度を高めてしまう現象がある。この場合、選択エピタキシャル成長時の水分濃度が増加して、選択成長の選択性及び選択成長膜の特性に影響を及ぼすことがわかっている。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、プロセス時の条件を正確に調整して選択エピタキシャル成長等の反応性ガス処理を高精度に行うことができる半導体製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の半導体製造方法は、基板が内部に設置された反応室内にガス供給源から反応性ガスを流して基板と反応性ガスとを反応させる反応性ガス処理を行う半導体製造方法であって、前記基板を設置した状態で前記反応室内又は該反応室のガス排気系内の水分濃度を計測し、該水分濃度に基づいて反応性ガス処理の条件を調整することを特徴とする。
このとき、表面の少なくとも一部に酸化シリコンが形成されている前記基板に対して前記反応性ガス処理を行うとともに、前記基板は、シリコン基板であり、前記反応性ガス処理は、前記基板の表面のうちシリコンが露出した領域に選択的に半導体層を成長させる処理であることができる。
【０００８】
この半導体製造方法では、基板を設置した状態で反応室内又は該反応室のガス排気系内の水分濃度を計測し、該水分濃度に基づいて反応性ガス処理の条件を調整するので、実際のプロセスにおける水分濃度の計測値から水分濃度自体の調整（適正範囲内への修正）や成膜又はエッチング等の条件が調整されて、水分濃度が反応性ガス処理の特性に与える影響を考慮した高精度なかつ安定した処理が可能になる。
【０００９】
なお、近年、腐食ガス中の水分濃度を測定する手段として、例えば特開平５−９９８４５号公報や特開平１１−１８３３６６号公報等に、プロセスチャンバに接続された管状セル本体内にレーザ光を入射させ透過したレーザ光の吸収スペクトルを測定するレーザ水分計が提案されている。このレーザ水分計は、ガスに非接触で測定可能なため反応性ガスでも高精度に測定できるものである。これによって、プロセス中においても、プロセスチャンバ内の水分濃度を測定することが可能になった。
【００１０】
また、本発明の半導体製造方法は、前記反応性ガス処理の条件として、前記反応室内に反応性ガスを流入させる前に行う前記基板の加熱条件を含むことが好ましい。すなわち、この半導体製造方法では、反応室内に反応性ガスを流入させる前に行う基板の加熱条件（ベーキング条件）を調整するので、反応性ガスを反応室に流入させる前に基板に含まれる水分を十分に脱離させること及び反応室内の水分濃度を適正な範囲に調整すること等ができ、安定した反応性ガス処理が可能になる。なお、前記加熱条件としては、前記基板の加熱温度、基板の加熱時間又はパージガスの流量の少なくとも一つが調整される。具体的には、前記加熱条件は、前記水分濃度が適正範囲より高くなった場合、前記水分濃度に基づいて、前記加熱温度を高める、前記加熱時間を長くする又は前記パージガス流量を大きくする等の調整を行い、前記加熱中に前記水分濃度を適正範囲内に抑えるように調整する。
【００１１】
また、本発明の半導体製造方法は、前記反応性ガス処理の条件が、前記基板の加熱温度、前記反応性ガスの流量、前記反応性ガスの混合比又は前記反応室内の圧力の少なくとも一つであることが好ましい。すなわち、この半導体製造方法では、反応性ガス処理条件として、基板の加熱温度、反応性ガスの流量、反応性ガスの混合比又は反応室内の圧力の少なくとも一つが調整されるので、これらの条件が特に選択エピタキシャル成長を行う際の選択性に影響を与えることから、選択成長の選択性を向上させることができる。具体的には、前記反応性ガス処理の条件は、前記水分濃度が適正範囲より高くなった場合、前記水分濃度に基づいて、前記ガス供給源から供給される水素流量をソースガス（ＳｉＣｌ_２Ｈ_２、ＨＣｌ）に対して増やす、ＨＣｌ（塩化水素）の流量を上げる、又は前記反応室内の圧力を上げるという調整を行うことができる。
【００１２】
また、本発明の半導体製造方法は、表面の少なくとも一部に酸化シリコンが形成されている前記基板に対して前記反応性ガス処理を行う場合に好適である。
すなわち、表面の少なくとも一部に酸化シリコンが形成されている基板の場合、酸化シリコン中に含まれている水分がベーキング時に脱離して反応室内の水分濃度を増加させるおそれがあり、水分濃度を実測することにより、このような基板に対しても高精度なかつ安定した処理を行うことができる。
【００１３】
さらに、本発明の半導体製造方法は、前記基板がシリコン基板であり、前記反応性ガス処理が前記基板の表面のうちシリコンが露出した領域に選択的に半導体層を成長させる処理である場合に好適である。
すなわち、基板表面のシリコン露出領域にシリコン等の半導体層を選択的にエピタキシャル成長等させる場合に、その選択性が水分濃度に影響されるため、実測した水分濃度に基づいて条件を調整することにより、高精度なかつ高い選択性の選択成長を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体製造方法の一実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。
これらの図にあって、符号１はプロセスチャンバ、２は搬送用チャンバ、３は搬入ロードロック室、４は搬出ロードロック室、５はプロセス用水分計を示している。
【００１５】
図１は、本発明の半導体製造方法を実施するための枚葉式のエピタキシャル結晶成長装置を示すものである。該エピタキシャル結晶成長装置は、図１に示すように、内部にシリコン基板Ｗが配置される中空の気密容器である３つの石英製のプロセスチャンバ（反応室）１と、これらプロセスチャンバ１内にシリコン基板Ｗを搬入する際に内部の密閉空間で雰囲気の置換を行う搬送用チャンバ２と、該搬送用チャンバ２にプロセス前のシリコン基板Ｗを搬入する搬入ロードロック室３および搬送用チャンバ２からプロセス後のシリコン基板Ｗを取り出すための搬出ロードロック室４とを備えている。
【００１６】
前記各プロセスチャンバ１には、該プロセスチャンバ１に導入されたガスをサンプリングしてガス中に含まれる水分を計測するプロセス用水分計５とプロセスチャンバ１内の圧力を計測する圧力計７とが設けられている。
また、搬送用チャンバ２内にも、内部の雰囲気中の水分を計測する搬送系水分計６が設置されている。該搬送系水分計６は、例えば、精度及び応答速度が高い後述する水分計本体１０と同様のものを有するレーザ水分計が望ましいが、アルミナ・コンデンサ等に水分を吸着させてその電気容量の変化を計測する静電容量方式の水分計や質量分析法を用いた水分計等でも構わない。
【００１７】
前記プロセスチャンバ１は、反応性ガス等のガス供給源（図示略）に接続されて該ガス供給源からのガス（ＳｉＣｌ₂Ｈ₂、ＳｉＣｌ₃Ｈ、ＨＣｌ、Ｈ₂、Ｎ₂、Ｂ₂Ｈ₆、ＰＨ₃、ＳｉＨ₄等）を導入可能になっているとともに、ガス排気系を介して排ガス処理設備（図示略）に接続されプロセスチャンバ１内で反応に供された後の反応性ガス等を排ガス処理設備へと排気可能になっている。
【００１８】
前記プロセス用水分計５は、図２に示すように、プロセスチャンバ１のガス排気系及びバルブ（図示略）を介して一端が接続されたサンプルラインであるサンプリング配管９と、該サンプリング配管９の他端に接続されプロセスチャンバ１からの反応性ガスに含まれる水分を計測する水分計本体１０と、該水分計本体１０の後端に接続管１１を介して接続されたロータリーポンプ１２とを備えている。
【００１９】
前記水分計本体１０は、筐体１０ａ内に管状セル本体１９が設けられ、該管状セル本体１９には、一端側にサンプリング配管（ガス排気系）９が接続されているとともに他端側に接続管１１が接続されている。管状セル本体１９は、両端に透光性窓材１９ａが装着され、一方の透光性窓材１９ａの外側には赤外レーザ光Ｌ（波長１．３〜１．５５μｍ）を発生する波長可変半導体レーザＬＤが対向して設けられ、他方の透光性窓材１９ａの外側には管状セル本体１９内を透過した赤外レーザ光Ｌを受光してその受光強度を電気信号に変換する光検出器ＰＤが対向して設けられている。
【００２０】
なお、前記サンプリング配管９および前記接続管１１には、電流供給源（図示略）に接続されたリボンヒータ２０が巻回され、さらにその上にシリコンゴムの断熱材２１が巻かれている。なお、リボンヒータ２０は、流す電流が調整されてサンプリング配管９および接続管１１を１００℃以上に加熱し、これら配管内の副生成反応物の付着を抑制するものである。
また、水分計本体１０の管状セル本体１９および透光性窓材１９ａにも、これらを加熱する電熱線を主としたセル用ヒータ２２が取り付けられ、１００℃以上に加熱される。さらに、水分計本体１０は、リボンヒータ２０及びセル用ヒータ２２によって１００℃以上に加熱されたガスの温度に応じて、その測定感度の調整・校正が予め行われている。
【００２１】
次に、本実施形態として、図３に示すように、表面にＳｉＯ₂膜１がパターン形成されたシリコン基板Ｗに対して、表面にシリコンが露出した領域のみに上記エピタキシャル結晶成長装置を用いてシリコン膜（半導体層）２を選択的にエピタキシャル成長を行う場合について説明する。
【００２２】
まず、シリコン基板Ｗを搬入ロードロック室３から搬送用チャンバ２内に搬入し、搬送用チャンバ２内の雰囲気をＮ₂等の不活性ガスに置換するとともに、搬送系水分計６で雰囲気中の水分を計測し、十分に水分が低減された状態を確認した後に、プロセスチャンバ１内にシリコン基板Ｗを搬送する。
【００２３】
プロセスチャンバ１内は、Ｎ₂等の不活性ガスのパージガスでパージされており、シリコン基板Ｗが搬入された状態で所定温度まで基板Ｗをベーキング（加熱）する。このベーキング中、ロータリーポンプ１２を駆動するとともにサンプリング配管９のバルブ等を開け、流入量を調整しながら、プロセスチャンバ１内の雰囲気ガスを水分計本体１０に常時導入する。
【００２４】
サンプリングされたガスは、水分計本体１０内の管状セル本体１９内に流入し、半導体レーザＬＤからの赤外レーザ光Ｌが照射される。管状セル本体１９内のガスを透過した赤外レーザ光Ｌは、光検出器ＰＤで受光され、その受光量から得られた吸収スペクトル強度によりガス中の水分濃度が計測され、ガスに含まれる水分の定量分析が行われる。なお、管状セル本体１９に流入したガスは、接続管１１、ロータリーポンプ１２を介して排気系に排出される。また、プロセスチャンバ１内の圧力は、圧力計７により常時計測されている。
【００２５】
このとき、実測されたベーキング中のプロセスチャンバ１内の水分濃度に基づいて、ベーキング条件を調整する。すなわち、ベーキング条件として、基板Ｗの加熱温度、加熱時間又はパージガスの流量の少なくとも一つを調整する。例えば、水分濃度が適正範囲より高くなった場合、水分濃度に基づいて、加熱温度を高める、加熱時間を長くする又はパージガス流量を大きくする等の調整を行い、ベーキング中に水分濃度を適正範囲内に抑えるように調整される。なお、ベーキング中の加熱温度を上げる又は加熱時間を延ばすことにより、選択成長の選択性が向上する。
【００２６】
このようにベーキング条件が調整されて水分濃度が適正範囲内になった状態で、次に、ＳｉＣｌ₂Ｈ₂、ＨＣｌ、Ｈ₂、ＳｉＨ₄等の反応性ガスを導入してシリコン基板Ｗの表面上に選択エピタキシャル成長を行う。なお、このときもベーキング時と同様に、プロセスチャンバ１内の水分濃度及び圧力を常時計測する。
【００２７】
このとき、実測されたベーキング中及びプロセス中のプロセスチャンバ１内の水分濃度に基づいて、プロセス条件を調整する。すなわち、プロセス条件として、基板Ｗの加熱温度、反応性ガスの流量、反応性ガスの混合比又はプロセスチャンバ１内の圧力の少なくとも一つを調整する。例えば、水分濃度が適正範囲より高くなった場合、水分濃度に基づいて、プロセス中の水素流量をソースガス（ＳｉＣｌ₂Ｈ₂、ＨＣｌ等）に対して増やす、ＨＣｌ（塩化水素）の流量を上げる、又はプロセスチャンバ１内の圧力を上げる等の調整を行うことで選択成長の選択性を高めることができる。特に、ＨＣｌは、ＳｉＯ₂上にポリシリコンが成長してしまうことを抑制する（選択性を上げる）働きがある。
【００２８】
なお、ガスの流量は、選択成長可能な選択領域と非選択領域との境界付近の条件に設定しておくことが好ましい。
また、予め水分濃度に対応した条件設定を成長装置の制御部等に記憶させ、該制御部等によって実測水分濃度に基づいてベーキング条件及びプロセス条件を自動調整するようにしても構わない。
【００２９】
上記エピタキシャル成長終了後に、プロセスチャンバ１内を不活性ガスで置換し、さらに搬送用チャンバ２を介して搬出ロードロック室４から選択成長済みシリコン基板Ｗを搬出する。
【００３０】
本実施形態では、シリコン基板Ｗを設置した状態でプロセスチャンバ１内の水分濃度を計測し、該水分濃度に基づいて選択エピタキシャル成長のガス処理条件を調整するので、実際の水分濃度の計測値からベーキング時に水分濃度を適正範囲内に調整し、さらに選択成長中のプロセス条件が調整されて、水分濃度が選択成長の選択性に与える影響を考慮した高精度なかつ安定した選択成長ができる。
【００３１】
なお、本発明は、次のような実施形態をも含むものである。
上記実施形態では、半導体製造方法として選択エピタキシャル成長を行う気相成長に適用したが、反応室内で基板に反応性ガスを反応させる処理を行うものであって、水分濃度に応じて処理特性が影響を受けるようなものであれば、他の半導体製造方法に用いても構わない。例えば、ＭＯＳデバイス用の基板として、極めて低い抵抗率のシリコン基板上に、単結晶シリコン薄膜を気相成長させるエピタキシャル・ウェーハの製造方法、他の薄膜を基板上に形成するＣＶＤ法又は反応性ガスを用いて基板表面をエッチングするドライエッチング法等に採用しても構わない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の半導体製造方法によれば、基板を設置した状態で反応室内又は該反応室のガス排気系内の水分濃度を計測し、該水分濃度に基づいて反応性ガス処理の条件を調整するので、実際のプロセスにおける水分濃度の計測値から水分濃度自体の調整や成膜又はエッチング等のプロセス条件が調整されて、水分濃度が反応性ガス処理の特性に与える影響を考慮した高精度なかつ安定した処理を行うことができる。特に、シリコン基板上に選択エピタキシャル成長を行う場合には、選択成長の選択性が水分濃度に影響されることから、選択性を左右するパラメータ（加熱温度等の処理条件）を水分濃度の実測値に基づいて調整すれば、高い選択性をもって安定した選択成長を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体製造方法の一実施形態におけるエピタキシャル結晶成長装置を示す概略的な全体平面図である。
【図２】本発明に係る半導体製造方法の一実施形態におけるプロセス用水分計の構成を示す断面図である。
【図３】選択エピタキシャル成長を示す要部を拡大したシリコン基板の断面図である。
【符号の説明】
１プロセスチャンバ（反応室）
５プロセス用水分計
７圧力計
１０水分計本体
１９管状セル本体
Ｗシリコン基板

Claims

基板が内部に設置された反応室内にガス供給源から反応性ガスを流して基板と反応性ガスとを反応させる反応性ガス処理を行う半導体製造方法であって、
前記基板を設置した状態で前記反応室内又は該反応室のガス排気系内の水分濃度を計測し、該水分濃度に基づいて反応性ガス処理の条件を調整し、
前記反応性ガス処理の条件は、前記反応室内に反応性ガスを流入させる前に行う前記基板の加熱条件を含み、
前記加熱条件は、前記基板の加熱温度、基板の加熱時間又はパージガスの流量の少なくとも一つであり、
表面の少なくとも一部に酸化シリコンが形成されている前記基板に対して前記反応性ガス処理を行うとともに、
前記基板は、シリコン基板であり、前記反応性ガス処理は、前記基板の表面のうちシリコンが露出した領域に選択的に半導体層を成長させる処理であることを特徴とする半導体製造方法。
請求項１に記載の半導体製造方法において、
前記加熱条件は、前記水分濃度が適正範囲より高くなった場合、前記水分濃度に基づいて、前記加熱温度を高める、前記加熱時間を長くする又は前記パージガス流量を大きくする等の調整を行い、前記加熱中に前記水分濃度を適正範囲内に抑えるように調整することを特徴とする半導体製造方法。
基板が内部に設置された反応室内にガス供給源から反応性ガスを流して基板と反応性ガスとを反応させる反応性ガス処理を行う半導体製造方法であって、
前記基板を設置した状態で前記反応室内又は該反応室のガス排気系内の水分濃度を計測し、該水分濃度に基づいて反応性ガス処理の条件を調整し、
前記反応性ガス処理の条件は、前記基板の加熱温度、前記反応性ガスの流量、前記反応性ガスの混合比又は前記反応室内の圧力の少なくとも一つであり、
表面の少なくとも一部に酸化シリコンが形成されている前記基板に対して前記反応性ガス処理を行とともに、
前記基板は、シリコン基板であり、前記反応性ガス処理は、前記基板の表面のうちシリコンが露出した領域に選択的に半導体層を成長させる処理であることを特徴とする半導体製造方法。
請求項３に記載の半導体製造方法において、
前記反応性ガス処理の条件は、前記水分濃度が適正範囲より高くなった場合、前記水分濃度に基づいて、前記ガス供給源から供給される水素流量をソースガス（ＳｉＣｌ_２Ｈ_２、ＨＣｌ）に対して増やす、ＨＣｌ（塩化水素）の流量を上げる、又は前記反応室内の圧力を上げるという調整を行うことを特徴とする半導体製造方法。