JP4464364B2 - 半導体装置の製造方法および半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法および半導体製造装置に関し、特に、半導体装置に使用される窒化シリコン膜および酸化窒化シリコン膜の熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法による成膜工程を有する半導体装置の製造方法および当該方法に好適に使用される半導体製造装置に関する。

従来、半導体装置に使用される窒化シリコン膜は、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２（以下ＤＣＳと記す）とＮＨ_３との混合ガスにより形成するのが一般的である。また、半導体装置に使用される酸化窒化シリコン膜は、ＤＣＳとＮＨ_３とＮ_２Ｏとの混合ガスにより形成するのが一般的である。

しかしながら、この方法では、７００℃〜８００℃といった高温で窒化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成する必要があり、その結果、浅い拡散層内の不純物が熱により深く拡散してしまい、素子寸法を小さくできないという問題がある。また、排気口に反応副生成物であるＮＨ_４Ｃｌ（塩化アンモニウム）が付着してしまい、このＮＨ_４Ｃｌは金属表面に錆を生じさせ、半導体ウェーハ上に金属汚染を生じさせるという問題もある。

これらの問題点を解決するために、本発明者らは、ＳｉＨ_２（ＮＨ（Ｃ_４Ｈ_９））_２（ビス ターシャル ブチル アミノ シラン：ＢＴＢＡＳ：Bis tertial butyl amino silane）とＮＨ_３とを原料ガスとして用いて窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜を形成することや、ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とＮ_２Ｏとを原料ガスとして用いて酸化窒化シリコン膜を形成することを検討した。その結果、このようにすれば、６００℃程度の低温で窒化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を成膜可能であり、また、金属汚染の原因であるＮＨ_４Ｃｌを発生させないことが判明した。

しかしながら、本発明者らは、ＢＴＢＡＳを用いて窒化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を成膜する場合には成膜された膜の面内均一性が充分でないことを見いだした。

ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とを原料ガスとして用いて窒化シリコン膜を成膜する際や、ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とＮ_２Ｏとを原料ガスとして用いて酸化窒化シリコン膜を形成する際に使用される炉構成を図１に示す。

ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とを原料ガスとして用いて窒化シリコン膜を成膜する場合を例にとって説明する。

外側に石英反応管（アウターチューブ）１１があり、その内側に筒状の石英インナーチューブ１２が入っている。さらに石英インナーチューブ１２の内側には石英ボート１４が入っており石英ボート１４は多数の半導体ウェーハ１６を支持している。

ＢＴＢＡＳとＮＨ_３は石英ノズル２１、１８をそれぞれを通して炉内へ導入される。ガスはまず石英インナーチューブ１２内に導入され下から上へ流れる。そして石英インナーチューブ１２の外側へ上から下へ排気されていく。

この過程で熱分解したＢＴＢＡＳとＮＨ_３は、半導体ウェーハ１６や石英表面上にＳｉ_３Ｎ_４を形成する。

ここで、石英インナーチューブ１２とその内部の概略横断面図を図４Ａに、概略縦断面図を図４Ｂにそれぞれ示す。

本発明者らは、まず、他の原料ガス系で使用されている構成のものを用いて、ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とを原料ガスとして用いて窒化シリコン膜を成膜した。

直径２００ｍｍの半導体ウェーハ１６を内径２６０ｍｍの石英インナーチューブ１２内に垂直方向にボート柱２５によって複数枚積層して成膜した。半導体ウェーハ１６の端部（エッジ）と石英インナーチューブ１２の内壁との距離ｂは３０ｍｍである。隣接する半導体ウェーハ間の距離ａは６．３５ｍｍであった。

その結果、ウェーハの周辺部でＳｉ_３Ｎ_４膜が厚くなり、中心部が薄いすりばち状になってしまった。ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とＮ_２Ｏとを原料ガスとして用いて酸化窒化シリコン膜を形成した場合も同様であった。

従って、本発明の主な目的は、ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とを原料ガスとして用いて窒化シリコン膜を成膜する際や、ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とＮ_２Ｏとを原料ガスとして用いて酸化窒化シリコン膜を形成する際に、成膜される膜の膜厚の基板面内均一性を向上することができる成膜方法および成膜装置を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために、半導体ウェーハ１６の中心部では、その上下に他の半導体ウェーハ１６が位置しているために半導体ウェーハ近傍の空間が小さいのに対して、半導体ウェーハ周辺部では石英インナーチューブ１２との間に大きい空間が存在するために、上記のようにウェーハの周辺部で厚く、中心部で薄いすりばち状になってしまったのではないかと考えて、半導体ウェーハ１６間の距離ａと半導体ウェーハ１６の端部と石英インナーチューブ１２の内壁との間の距離ｂとの関係と、膜圧の面内分布との関係を鋭意研究の結果、本発明に到達した。

すなわち、本発明によれば、
複数の基板を積層して収容する反応管内に、ビス ターシャル ブチル アミノ シランとＮＨ_３とを原料ガスとして前記反応管内に供給して熱ＣＶＤ法により前記基板上に窒化シリコン膜を成膜する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記基板の端部と前記反応管内壁との間の距離ｂと隣接する前記基板間の距離ａとの比ｂ／ａの値を１として前記基板上に前記窒化シリコン膜を成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

好ましくは、前記反応管内にビス ターシャル ブチル アミノ シランを供給する前およびその供給を停止した後に前記反応管内をＮＨ_３でパージする。

また、本発明によれば、
複数の基板を積層して収容する反応管内に、ビス ターシャル ブチル アミノ シランとＮＨ_３とＮ_２Ｏとを原料ガスとして前記反応管内に供給して熱ＣＶＤ法により前記基板上に酸化窒化シリコン膜を成膜する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記基板の端部と前記反応管内壁との間の距離ｂと隣接する前記基板間の距離ａとの比ｂ／ａの値を１として前記基板上に前記酸化窒化シリコン膜を成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

好ましくは、前記反応管内にビス ターシャル ブチル アミノ シランを供給する前およびその供給を停止した後に前記反応管内をＮＨ_３でパージする。

また、本発明によれば、
複数の基板を積層して収容する反応管内に、ビス ターシャル ブチル アミノ シランとＮＨ_３とを原料ガスとして前記反応管内に供給して熱ＣＶＤ法により前記基板上に窒化シリコン膜を成膜する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記反応管内にビス ターシャル ブチル アミノ シランを供給する前およびその供給を停止した後に前記反応管内をＮＨ_３でパージすることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

また、本発明によれば、
反応管と、
前記反応管内において複数の基板を積層して保持可能な基板保持手段と、
前記反応管内に、ビス ターシャル ブチルアミノ シランとＮＨ_３とを原料ガスとして前記反応管内に流して供給するガス供給手段と、
加熱手段とを備え、
前記基板の端部と前記反応管内壁との間の距離ｂと隣接する前記基板間の距離ａとの比ｂ／ａの値を１として前記基板上に熱ＣＶＤ法により窒化シリコン膜を成膜することを特徴とする半導体製造装置が提供される。

また、本発明によれば、
反応管と、
前記反応管内において複数の基板を積層して保持可能な基板保持手段と、
前記反応管内に、ビス ターシャル ブチルアミノ シランとＮＨ_３とＮ_２Ｏとを原料ガスとして前記反応管内に流して供給するガス供給手段と、
加熱手段とを備え、
前記基板の端部と前記反応管内壁との間の距離ｂと隣接する前記基板間の距離ａとの比ｂ／ａの値を１として前記基板上に熱ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を成膜することを特徴とする半導体製造装置が提供される。

本発明によれば、ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とを原料ガスとして用いて窒化シリコン膜を成膜する際や、ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とＮ_２Ｏとを原料ガスとして用いて酸化窒化シリコン膜を形成する際に、成膜される膜の膜厚の基板面内均一性を向上することができる。

次に、図面を参照して本発明の一実施の形態を説明する。

本発明において使用するＢＴＢＡＳは常温では液体であるので、図２、図３に示すようなＢＴＢＡＳ供給装置を用いて炉内へ導入する。

図２に示すＢＴＢＡＳ供給装置は、恒温槽と気体流量制御の組合せである。図３に示すＢＴＢＡＳ供給装置は、液体流量制御と気化器との組合せにより流量制御を行うものである。

図２を参照すれば、ＢＴＢＡＳ供給装置４においては、ＢＴＢＡＳ液体原料４２を備えた恒温槽４１内を加熱することによって気化したＢＴＢＡＳの蒸気圧を高める。気化したＢＴＢＡＳは、マスフローコントローラ４３により流量制御されて、ＢＴＢＡＳ供給口４４より図１に示す縦型ＬＰＣＶＤ（減圧ＣＶＤ）成膜装置のノズル２１の供給口２２に供給される。

なお、このＢＴＢＡＳ供給装置４においては、ＢＴＢＡＳ液体原料４２からＢＴＢＡＳ供給口４４に至るまでの配管は、配管加熱部材４５によって覆われている。

図３を参照すれば、ＢＴＢＡＳ供給装置５においては、ＢＴＢＡＳ液体原料５２を備えたＢＴＢＡＳタンク５１内に、押し出しガス導入口５３から導入された押し出しガスＨｅまたはＮ_２を配管５４を介して導入することにより、ＢＴＢＡＳ液体原料５２を配管５５に押し出し、その後ＢＴＢＡＳ液体原料は、液体流量制御装置５６により流量制御されて気化器５７に送られ、気化器５７で気化されてＢＴＢＡＳ供給口５８より図１に示す縦型ＬＰＣＶＤ（減圧ＣＶＤ）成膜装置のノズル２１の供給口２２に供給される。なお、このＢＴＢＡＳ供給装置５においては、気化器５７からＢＴＢＡＳ供給口５８に至るまでの配管は、配管加熱部材５９によって覆われている。

次に、本実施の形態で好適に使用できる縦型ＬＰＣＶＤ成膜装置を図１を参照して説明する。

縦型ＬＰＣＶＤ成膜装置１においては、石英反応管１１の外部にヒータ１３を備えており、石英反応管１１内を均一に加熱できる構造となっている。石英反応管１１内には筒状の石英インナーチューブ１２が設けられている。石英インナーチューブ１２内には、複数の半導体ウェーハを垂直方向に積層して搭載する石英ボート１４が設けられている。この石英ボート１４は、キャップ１５上に搭載されており、キャップ１５を上下させることにより、石英インナーチューブ１２内に挿入され、また石英インナーチューブ１２から取り出される。石英反応管１１および石英インナーチューブ１２の下部は開放された構造となっているが、キャップ１５を上昇させることにより、キャップ１５の底板２４により閉じられ気密な構造となる。石英インナーチューブ１２の下部には、石英ノズル１８、２１が連通して設けられている。石英インナーチューブ１２の上部は開放されている。石英インナーチューブ１２と石英反応管１１との間の空間の下部には、排気口１７が連通して設けられている。排気口１７は真空ポンプ（図示せず）に連通しており、石英反応管１１内を減圧できる。石英ノズル１８、２１から供給された原料ガスは、各々の噴出口２０、２３から石英インナーチューブ１２内に噴出され、その後、石英インナーチューブ１２内を下部から上部まで移動し、石英インナーチューブ１２と石英反応管１１との間の空間を通って下方に流れ、排気口１７から排気される。

次に、この縦型ＬＰＣＶＤ成膜装置１を使用して窒化シリコン膜を製造する方法について説明する。

まず、多数枚の半導体ウェーハ１６を保持した石英ボート１４を６００℃以下の温度に保たれた石英インナーチューブ１２内に挿入する。

次に、真空ポンプ（図示せず）を用いて排気口１７より真空排気する。ウェーハの面内温度安定効果を得るため、１時間程度排気することが好ましい。

次に、石英ノズル１８の注入口１９よりＮＨ_３ガスを注入し、石英反応管１１内を、ＢＴＢＡＳを流す前にＮＨ_３でパージする。

次に、石英ノズル１８の注入口１９よりＮＨ_３ガスを注入し続けると共に、石英ノズル２１の注入口２２よりＢＴＢＡＳを注入して、半導体ウェーハ１６上にＳｉ_３Ｎ_４膜を成膜する。

次に、石英ノズル１８の注入口１９よりＮＨ_３ガスを注入したまま、ＢＴＢＡＳの供給を停止して、石英反応管１１内をＮＨ_３でパージする。

ＢＴＢＡＳのみ流すとＳｉ_３Ｎ_４膜とは異なる膜ができるため、デポジション前後にＮＨ_３によるパージを行うことが好ましい。

次に、石英ノズル１８よりＮ_２を石英反応管１１内に流入させてＮ_２パージを行い、石英反応管１１内のＮＨ_３を除去する。

その後、Ｎ_２の供給を止めて石英反応管１１内を真空にする。Ｎ_２パージとその後の石英反応管１１内の真空排気は数回セットで実施する。

その後、石英反応管１１内を真空状態から大気圧状態へ戻し、その後、石英ボート１４を下げて、石英反応管１１より引き出し、その後、石英ボート１４および半導体ウェーハ１６を室温まで下げる。

以上は窒化シリコン膜を成膜する場合についてであるが、酸化窒化シリコン膜を成膜する場合には、石英ノズル１８の注入口１９よりＮＨ_３ガスおよびＮ_２Ｏガスを流入させる点が異なるが、他の点は同じである。

上記の縦型ＬＰＣＶＤ成膜装置１を用い、上記の方法により、ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とを原料ガスとして用いて窒化シリコン膜を成膜する場合について、まず、石英インナーチューブ１２を変えずに半導体ウェーハ１６間の距離ａを変えることによって、半導体ウェーハ１６の端部と石英インナーチューブ１２の内壁との間の距離ｂと隣接する半導体ウェーハ１６間の距離ａとの比ｂ／ａと半導体ウェーハ１６上に成膜される窒化シリコン膜の膜厚の面内分布との関係を調べた。その結果を図５Ｂに示す。このデータを得た条件は、成膜温度６００℃、圧力３０Ｐａ、ＢＴＢＡＳの流量８５ｓｃｃｍ、ＮＨ_３の流量２００ｓｃｃｍであった。なお、このグラフにおいて、黒丸は３枚の半導体ウェーハ、すなわち頂部、中央部、底部の半導体ウェーハの面内均一性の平均値を表し、上下に延びる線は３枚の半導体ウェーハ、すなわち頂部、中央部、底部の半導体ウェーハの面内均一性の一番良い点と悪い点の差を表す。なお、ここで頂部とは積層された全半導体ウェーハのうち、最上部より６〜７％の枚数の位置にある半導体ウェーハをいい、中央部とは中央の位置にある半導体ウェーハをいい、底部とは最下部より６〜７％の枚数の位置にある半導体ウェーハをいう。また、図５Ｂ中の各黒丸のｂ／ａの値は、左から順にそれぞれ０．９６、１．１０、１．４４、１．９２、２．８８である。

ｂ／ａが１に近づく時に膜厚分布が良くなることが分かる。そしてｂ／ａが０．５から１．１の間の値をとるような条件で成膜を行うことが好ましい。ｂ／ａが１．１より大きいと、面内均一性が悪く、もしくは、頂部、中央部、底部の半導体ウェーハ間での面内均一性のばらつきが大きくなり、０．５より小さいと半導体ウェーハを反応管内に挿入することが困難となるからである。また、ｂ／ａが０．９６から１．１０の間の値をとるような条件で成膜を行うことがさらに好ましい。

石英インナーチューブを変えずに、ｂ／ａを１に近づけるためには隣接する半導体ウェーハ間の距離ａを拡大しなければならず、そうすると、１回あたりの半導体ウェーハの処理枚数が減少してしまい、スループット的に良くない。

そこでｂ／ａを１に近づけるには、半導体ウェーハ１６と石英インナーチューブ１２の距離を狭くすることが好ましい。

半導体ウェーハ１６間の距離が、６．３５ｍｍであるのでウェーハ１６とインナーチューブ１２の距離が６〜７ｍｍであればよい。

従って、直径２００ｍｍのウェーハ１６に対しては、石英インナーチューブ１２の内径は２１４ｍｍが最適となる。

この石英インナーチューブ１２を用いた時の膜厚分布は、図６ＢにＳで示すように、３％以内で従来の６％と比較して改善されることがわかる。また、半導体ウェーハ１６間の距離は変えていないので、ウェーハの処理枚数は従来と同じである。

図６に示すように、半導体ウェーハ１６を支持するボートにはボート柱２５があり、ボート柱２５がウェーハ１６より外側に位置しているため、内径２１４ｍｍの筒状の石英インナーチューブ１２にボートを挿入することはできない。そこでボート柱２５の部分を避難させるスペースであるボート柱溝２６をボート柱２５に対応して設けた石英インナーチューブ１２を使用する。

以上は、ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とを原料ガスとして用いて窒化シリコン膜を成膜する場合についてであるが、ＢＴＢＡＳとＮＨ_３とＮ_２Ｏとを原料ガスとして用いて酸化窒化シリコン膜を形成する場合についても略同様の結果を得た。
なお、このときの処理条件は、成膜温度５９５℃、圧力６５Ｐａ、ＢＴＢＡＳの流量１００ｓｃｃｍ、ＮＨ_３の流量４００ｓｃｃｍ、Ｎ_２Ｏの流量２００ｓｃｃｍであった。

本発明の一実施の形態で使用する縦型ＬＰＣＶＤ成膜装置を説明するための概略断面図である。 本発明の一実施の形態で使用する成膜装置において好適に使用されるＢＴＢＡＳ供給装置を説明するための概略図である 本発明の一実施の形態で使用する成膜装置において好適に使用されるＢＴＢＡＳ供給装置を説明するための概略図である ＢＴＢＡＳを原料ガスの一つとして用いる縦型ＬＰＣＶＤ成膜装置における、半導体ウェーハと石英インナーチューブとの間の位置関係を説明するための図であり、図４Ａは概略横断面図、図４Ｂは概略縦断面図である。 ＢＴＢＡＳを原料ガスの一つとして用いる縦型ＬＰＣＶＤ成膜装置における、半導体ウェーハの端部と石英インナーチューブ１２との間の距離ｂと半導体ウェーハ間の距離ａとの比ｂ／ａと、半導体ウェーハ上に形成した膜のウェーハ面内均一性との関係を説明するための図であり、図５Ａは距離ａと距離ｂを説明するための概略縦断面図であり、図５Ｂはｂ／ａとウェーハ面内均一性との関係を示す図である。 ＢＴＢＡＳを原料ガスの一つとして用いる縦型ＬＰＣＶＤ成膜装置において、インナーチューブとボート柱と半導体ウェーハとの好適な位置関係を説明するための横断面図である。

符号の説明

１…縦型成膜装置
４、５…ＢＴＢＡＳ供給装置
１１…石英反応管
１２…石英インナーチューブ
１３…ヒータ
１４…石英ボート
１５…キャップ
１６…半導体ウェーハ
１７…排気口
１８、２１…石英ノズル
２５…ボート柱
２６…ボート柱溝
４１…恒温槽
５１…ＢＴＢＡＳ原料タンク
４２ 、５２…ＢＴＢＡＳ液体原料
５３…押し出しガス導入口
５４、５５…配管
４３…マスフローコントローラ
４４、５８…ＢＴＢＡＳ供給口
５６…液体流量制御装置
５７…気化器
４５、５９…配管加熱部材

Claims (5)

1. 複数の基板を積層して収容する反応管内に、ビス ターシャル ブチル アミノ シランとＮＨ_３とを原料ガスとして前記反応管内に供給して熱ＣＶＤ法により前記基板上に窒化シリコン膜を成膜する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記基板の端部と前記反応管内壁との間の距離ｂと隣接する前記基板間の距離ａとの比ｂ／ａの値を１として前記基板上に前記窒化シリコン膜を成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 複数の基板を積層して収容する反応管内に、ビス ターシャル ブチル アミノ シランとＮＨ_３とＮ_２Ｏとを原料ガスとして前記反応管内に供給して熱ＣＶＤ法により前記基板上に酸化窒化シリコン膜を成膜する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記基板の端部と前記反応管内壁との間の距離ｂと隣接する前記基板間の距離ａとの比ｂ／ａの値を１として前記基板上に前記酸化窒化シリコン膜を成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 前記反応管内にビス ターシャル ブチル アミノ シランを供給する前およびその供給を停止した後に前記反応管内をＮＨ_３でパージすることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
4. 反応管と、
   前記反応管内において複数の基板を積層して保持可能な基板保持手段と、
   前記反応管内に、ビス ターシャル ブチル アミノ シランとＮＨ_３とを原料ガスとして前記反応管内に流して供給するガス供給手段と、
   加熱手段とを備え、
   前記基板の端部と前記反応管内壁との間の距離ｂと隣接する前記基板間の距離ａとの比ｂ／ａの値を１として前記基板上に熱ＣＶＤ法により窒化シリコン膜を成膜することを特徴とする半導体製造装置。
5. 反応管と、
   前記反応管内において複数の基板を積層して保持可能な基板保持手段と、
   前記反応管内に、ビス ターシャル ブチル アミノ シランとＮＨ_３とＮ_２Ｏとを原料ガスとして前記反応管内に流して供給するガス供給手段と、
   加熱手段とを備え、
   前記基板の端部と前記反応管内壁との間の距離ｂと隣接する前記基板間の距離ａとの比ｂ／ａの値を１として前記基板上に熱ＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を成膜することを特徴とする半導体製造装置。

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