JP4490760B2 - 半導体装置の製造方法及び基板処理装置 - Google Patents
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Description
従来、この再付着した不純物を、NF3などの反応性ガスを用いずに、750℃以上の高温下で水素を用いて除去する方法(以下、高温水素パージともいう)がある(例えば、特許文献2参照)。
本発明の課題は、上述した従来の問題点を解消して、基板表面上に付着した不純物を700℃以下の低温にて除去することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。
成長プロセス、特にエピタキシャル成長プロセスを行う場合に、シリコン層上との界面における残存不純物が問題となるが、本発明によれば、シリコン層上の不純物を有効に除去した後に成長させるので、そのような問題を解決でき、高品質な膜成長を行うことができる。
また、成長プロセスで使用するガスと同一系のガス用いて同一の流し方でクリーニングプロセスを行うので、クリーニングプロセスにおける汚染物質の発生を効率的に抑制できる。また、ガス供給系、および全体のプロセスを単純化することができる。
クリーニングプロセスおよび成長プロセスでそれぞれ使用するガスを、プロセスの目的に合わせて異ならせるとよい。具体的には、クリーニングプロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスの中から、還元性ガス(エッチングガス)として作用しやすい方のガスを用いる。成長プロセスでは、成長用ガスとして作用しやすい方のガスを用いる。このようにすると、クリーニングと成長の両方を効率的に行うことができる。
クリーニングプロセスでは、還元性ガス(エッチングガス)として作用しやすいSiH4を用い、成長プロセスでは、成長用ガスとして作用しやすいSi2H6を用いると、クリーニングと成長の両方を効率的に行うことができる。
クリーニングプロセスおよび成長プロセスにおいて、それぞれの処理条件をプロセスの目的に合わせて異ならせるとよい。具体的には、クリーニングプロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが還元性ガス(エッチングガス)として作用するような処理条件とする。成長プロセスでは、同一のシラン系ガスまたはゲルマン系ガスが成長用ガスとして作用するような処理条件とする。このようにガス種を異ならせることなく、処理条件を異ならせるだけで、クリーニングと成長の両方を効率的に行うことができる。
クリーニングプロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが還元性ガス(エッチングガス)として作用するような処理温度や処理圧力とする。成長プロセスでは、同一のシラン系ガスまたはゲルマン系ガスが成長用ガスとして作用するような処理温度や処理圧力とする。このように処理温度や処理圧力を異ならせるだけで、クリーニングと成長の両方を効率的に行うことができる。
クリーニングプロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが還元性ガスとして作用するよう成長プロセスよりも処理温度が小さくなるようにする。成長プロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが成長用ガスとして作用するようクリーニングプロセスよりも処理温度が大きくなるようにする。このように処理温度を設定するだけで、クリーニングと成長の両方を効率的に行うことができる。
クリーニングプロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが還元性ガスとして作用するよう処理温度を400〜500℃、圧力を10Pa以下とし、成長プロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが成長用ガスとして作用するよう処理温度を500〜700℃、圧力を10Pa以下とする。このように処理温度と処理圧力を設定することにより、クリーニングと成長の両方を効率的に行うことができる。
第1ガス供給ステップで処理室内の基板にSiH4、Si2H6、GeH4からなる群から選択される少なくとも一つのガスを供給するので、基板表面に露出したシリコン層上に付着した不純物を500℃以下の低温で有効に除去することができる。また、SiH4、Si2H6、GeH4からなる群から選択される少なくとも一つのガスを用いてクリーニングプロセスを行う場合に、特に絶縁層上へのシリコンの付着が問題となるが、第2ガス供給ステップでCl2、HCl、F2からなる群から選択される少なくとも一つのガスを供給して、絶縁層上に付着したシリコンを有効に除去するので、そのような問題も解決できる。また、絶縁層上に付着したシリコンを除去するために、Cl2、HCl、F2からなる群から選択される少なくとも一つのガスを用いると、特に基板表面に露出したシリコン表面上への塩素やフッ素の付着が問題となるが、第3ガス供給ステップで、H2を供給して、シリコン表面上に付着している塩素やフッ素を有効に除去するので、そのような問題も解決できる。このようにシリコン及び塩素やフッ素も500℃以下の低温で除去できるので、基板表面上に付着した不純物を500℃以下の低温で有効に除去することができる。
クリーニングプロセスで供給するガスは、少なくともシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
クリーニングプロセスで処理室内の基板にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給するので、基板表面上に付着した不純物を500℃以下の低温で除去することができる。
シラン系ガスまたはゲルマン系ガスを使用してクリーニングプロセスを行う場合に、特に基板表面上へのシリコンの付着が問題となるが、本発明によれば、さらに塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給して基板表面上に付着したシリコンを除去するので、そのような問題を解決できる。
塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを使用してクリーニングプロセスを行う場合に、特に基板表面上への塩素もしくはフッ素の付着が問題となるが、本発明によれば、さらに水素系ガスを供給して基板表面上に付着した塩素もしくはフッ素を除去するので、そのような問題を解決できる。
制御手段が、処理容器内にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスと、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスと、水素系ガスとを、順次1回もしくは複数回繰り返し供給するよう制御する機能を有するので、第1の発明の半導体装置の製造方法を容易に実施できる。
MOSFETなどの半導体装置の製造工程の一工程には、種々の成膜プロセスがあるが、その成膜プロセスの前処理として、ウェハ表面上をより高清浄度にするために、ウェハ表面上に付着した酸素などの不純物を除去するクリーニングプロセスを行う場合がある。
ここで、反応性ガスとしては、SiH4の他にSi2H6、GeH4などのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを含むガスを用いることができる。これらのガスを用いると、高温水素パージを行う場合と異なり、クリーニングプロセス温度は500℃以下の低温とすることが可能である。
同図から、SiH4にて酸素をパージすると、低温にて酸素(O)の濃度が約30%低減できると同時に、炭素(C)についても約80%低減できることが分かる。
本発明の半導体装置の製造方法を実施するための基板処理装置の実施の形態を図面を参照して説明する。図5は、基板処理装置としての2枚葉装置の処理炉の概略縦断面図である。
なお、反応管203内の温度は温度制御手段247により所定の温度となるように制御される。また、反応管203内に供給するガスの流量は流量制御手段241により所定の流量となるよう制御される。さらに、反応管203内の圧力は、APC242により所定の圧力となるように制御される。これらの温度制御手段247、流量制御手段241およびAPC242は、主制御部249により制御される。
SiH4(g)→SiH3(g)or(s)+H*(g) (1)
4H*(g)+SiO2(s)→Si(s)+2H2O(g) (2)
2H*(g)+SiO(s)→Si(s)+H2O(g) (3)
ここで*印が付いた化学記号はその活性種を意味し、SiOは自然酸化膜のような弱い結合もしくは不完全な結合状態のものを意味する。このようにシリコンウェハ200にSiH4を照射することにより、シリコン層11上に形成しているSiO2を除去することができる。
これにより、酸素上に付着しているシリコン原子等およびSi3N4膜もしくはSiO2膜上に付着しているシリコン原子等は
Cl2(g)+Si(s)→SiCl2(g) (4)
のような反応を経て取り除かれる。また、シリコン表面に付着している金属類も
Cl2(g)+M(s)→MCl2(g) (5)
のような反応を経て取り除かれる。
ここで、Mは金属原子を意味する。このように、第2ガス供給ステップ(104)を行うことにより、SiO2膜もしくはSi3N4膜上のシリコン原子等を取り除くことができると同時に、露出したシリコン層11の表面に存在する酸素に付着したシリコン原子等も取り除くことができる。したがって、再度、ステップ103でSiH4をシリコンウェハ200に照射することにより、式(2)もしくは式(3)による反応にてシリコン層11上に残っている酸素を取り除くことができる。
H2(g)+2Cl(s)→2HCl(g) (6)
のような反応を経て取り除かれる。
これより分かるように、エピタキシャル成長プロセスBにおける第1ガス供給ステップ(ステップ106)と、クリーニングプロセスAにおける第1ガス供給ステップ(ステップ103)とでは、使用するガスをSi2H6とSiH4というように異ならせている。
Cl2の照射を行うことにより、クリーニングプロセスAで述べたように、反応式(4)、(5)により、SiO2膜もしくはSi3N4膜上に付着したシリコン原子等を取り除くことができると同時に、シリコン表面に存在する酸素に付着したシリコン原子等、およびシリコン表面に付着している金属類も取り除くことができる。
このH2の照射により、前述した反応式(6)により、エピタキシャル膜12上および絶縁層13(Si3N4膜もしくはSiO2膜)上に付着している塩素原子が取り除かれる。
なお、上述したSi2H6、Cl2、およびH2の繰り返し照射は、主制御部249が、ガス導入ライン232の流量制御手段241よりも上流側に設けた開閉弁(図示せず)を開閉制御することにより行われる。
また、クリーニングプロセスは、500℃以下の低温で行うことができるため、半導体装置はその温度に十分耐えられることになり、ウェハが大口径化しても、ウェハ強度の低下によるスリップ発生の危険性がなくなり、半導体装置の特性の向上と微細化を両立させることが可能となる。
GeH4(g)→GeH3(g)or(s)+H*(g) (7)
4H*(g)+SiO2(s)→Si(s)+2H2O(g) (8)
2H*(g)+SiO(s)→Si(s)+H2O(g) (9)
2F2(g)+Si(s)→SiF4(g) (10)
2F2(g)+M(s)→MF4(g) (11)
H2(g)+2F(s)→2HF(g) (12)
203 反応管(処理容器)
217 ウェハ支持台(基板保持手段)
232 ガス導入ライン(供給手段)
249 主制御部(制御手段)
Claims (15)
- 表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を処理室内に搬入するステップと、
前記処理室内の前記基板にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する第1ガス供給ステップと、前記処理室内の前記基板に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する第2ガス供給ステップと、前記処理室内の前記基板に水素系ガスを供給する第3ガス供給ステップと、を順次1回もしくは複数回行うことにより、前記基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスと、
を有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記クリーニングプロセスにおける前記第1ガス供給ステップで供給するガスはSiH 4 、Si 2 H 6 、GeH 4 からなる群から選択される少なくとも一つのガスであり、前記第2ガス供給ステップで供給するガスはCl 2 、HCl、F 2 からなる群から選択される少なくとも一つのガスであり、前記第3ガス供給ステップで供給するガスはH 2 である
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記クリーニングプロセスにおける処理温度を400〜500℃、処理圧力を10Pa以下とする
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1ガス供給ステップのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給時間を、前記基板上にシリコンもしくはゲルマン原子が膜として成長しない時間とする
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 - 表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を処理室内に搬入するステップと、
前記処理室内の前記基板にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する第1ガス供給ステップと、前記処理室内の前記基板に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する第2ガス供給ステップと、前記処理室内の前記基板に水素系ガスを供給する第3ガス供給ステ
ップと、を順次1回もしくは複数回行うことにより、前記基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスと、
前記第1ガス供給ステップと前記第2ガス供給ステップと前記第3ガス供給ステップとを順次1回もしくは複数回行うことにより、前記クリーニングプロセス後の前記基板表面に露出したシリコン層上に膜を成長させる成長プロセスと、
を有し、
前記クリーニングプロセスにおける第1ガス供給ステップと、前記成長プロセスにおける第1ガス供給ステップとでは、使用するガスを異ならせる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記クリーニングプロセスにおける第1ガス供給ステップでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスの中から還元性ガスとして作用するガスを用い、前記成長プロセスにおける第1ガス供給ステップでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスの中から成長用ガスとして作用するガスを用いる
ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記クリーニングプロセスにおける第1ガス供給ステップではSiH 4 を用い、前記成
長プロセスにおける第1ガス供給ステップではSi 2 H 6 を用いる
ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 - 表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を処理室内に搬入するステップと、
前記処理室内の前記基板にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する第1ガス供給ステップと、前記処理室内の前記基板に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する第2ガス供給ステップと、前記処理室内の前記基板に水素系ガスを供給する第3ガス供給ステップと、を順次1回もしくは複数回行うことにより、前記基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスと、
前記第1ガス供給ステップと前記第2ガス供給ステップと前記第3ガス供給ステップとを順次1回もしくは複数回行うことにより、前記クリーニングプロセス後の前記基板表面に露出したシリコン層上に膜を成長させる成長プロセスと、
を有し、
前記クリーニングプロセスと前記成長プロセスとでは、処理条件を異ならせる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記クリーニングプロセスにおける第1ガス供給ステップでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが還元性ガスとして作用するような処理条件とし、前記成長プロセスにおける第1ガス供給ステップでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが成長用ガスとして作用するような処理条件とする
ことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記クリーニングプロセスと前記成長プロセスとでは、少なくとも処理温度または/および処理圧力を異ならせる
ことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記クリーニングプロセスの方が前記成長プロセスよりも処理温度が小さくなるようにする
ことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記クリーニングプロセスにおける処理温度を400〜500℃、処理圧力を10Pa以下とし、前記成長プロセスにおける処理温度を500〜700℃、処理圧力を10Pa
以下とする
ことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 - 基板を処理する処理容器と、
前記処理容器内で基板を保持する基板保持手段と、
前記処理容器内にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する供給手段と、
前記処理容器内に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する供給手段と、
前記処理容器内に水素系ガスを供給する供給手段と、
表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を収容した前記処理容器内へのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給と、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスの供給と、水素系ガスの供給とを、順次1回もしくは複数回行うことにより、前記基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスを行うように前記各供給手段を制御する制御手段と、
を有する
ことを特徴とする基板処理装置。 - 基板を処理する処理容器と、
前記処理容器内で基板を保持する基板保持手段と、
前記処理容器内にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する供給手段と、
前記処理容器内に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する供給手段と、
前記処理容器内に水素系ガスを供給する供給手段と、
表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を収容した前記処理容器内へのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給と、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスの供給と、水素系ガスの供給とを、順次1回もしくは複数回行うことにより、前記基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスを行い、前記処理容器内へのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給と、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスの供給と、水素系ガスの供給とを、順次1回もしくは複数回行うことにより、前記クリーニングプロセス後の前記基板表面に露出したシリコン層上に膜を成長させる成長プロセスを行い、前記クリーニングプロセスと前記成長プロセスとで、使用するシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを異ならせるように前記各供給手段を制御する制御手段と、
を有する
ことを特徴とする基板処理装置。 - 基板を処理する処理容器と、
前記処理容器内で基板を保持する基板保持手段と、
前記処理容器内を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の温度を制御する温度制御手段と、
前記処理容器内の圧力を制御する圧力制御手段と、
前記処理容器内にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する供給手段と、
前記処理容器内に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する供給手段と、
前記処理容器内に水素系ガスを供給する供給手段と、
表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を収容した前記処理容器内へのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給と、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスの供給と、水素系ガスの供給とを、順次1回もしくは複数回行うことにより、前記基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスを行い、前記処理容器内へのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給と、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスの供給と、水素系ガスの供給とを、順次1回もしくは複数回行うことにより、前記クリーニングプロセス後の前記基板表面に露出したシリコン層上に膜を成長させる成長プロセスを行い、前記クリーニングプロセスと前記成長プロセスとで、処理条件を異ならせるように前記温度制御手段、前記圧力制御手段および前記各供給手段を制御する制御手段と、
を有する
ことを特徴とする基板処理装置。
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