JPH07153695A

JPH07153695A - 成膜方法

Info

Publication number: JPH07153695A
Application number: JP32989193A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Haraoka; 務原岡; Harunori Ushigawa; 治憲牛川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Tokyo Electron Tohoku Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Tokyo Electron Tohoku Ltd
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1995-06-16

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体デバイスの界面における自然酸化膜を
低減して例えば層間のコンタクト抵抗を小さくしたり、
あるいはゲート酸化膜やキャパシタ絶縁膜の耐圧を向上
すること。【構成】半導体ウエハＷをウエハボート２２に多数枚
搭載して反応管２内に搬入した後、成膜温度まで反応管
２内を昇温し、この昇温過程において、不活性ガスで例
えば０．４％程度に希釈されたＨＦガスを供給し、ウエ
ハの表面処理を行い、しかる後にポリシリコン膜や窒化
膜、酸化膜などの成膜を行うか、あるいはエピタキシャ
ル成長を行う。この方法によれば、ＨＦがウエハ表面上
の水分と反応して活性化し、ウエハ表面の自然酸化膜が
除去される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は成膜方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造プロセスである成
膜プロセスの一つに減圧ＣＶＤ（Chemical vapor depos
ition)と呼ばれる方法がある。この方法は反応管内を減
圧状態にしながら処理ガスを導入して化学的気相反応に
よりウエハの表面に成膜するものであり、減圧状態にす
ることでウエハ間の狭い間隔にも十分処理ガスが到達す
るために多数枚のウエハを一度に処理できる利点があ
る。

【０００３】縦型熱処理装置を用いた従来の減圧ＣＶＤ
プロセスでは、先ずウエハが多数枚例えば１００枚搭載
されたウエハボートを、ボートエレベータにより反応管
内に、その下端開口部から搬入してロードする。ウエハ
のロード時において反応管内はヒータにより例えば約４
００℃付近に加熱されている。次いで反応管内を減圧雰
囲気にして気密性のチェックや温度チェックなどを行っ
た後、反応管内が所定の真空度となるように制御しなが
ら処理ガスを反応管内に供給し、処理ガスの気相反応に
よりウエハＷ表面に薄膜を形成（成膜）する。

【０００４】

【発明が解決しようとしている課題】ところでウエハが
大気に触れるとその表面に自然酸化膜が形成されるが、
この自然酸化膜は半導体デバイスの特性を悪化させるた
め、通常ウエハを熱処理炉にロードする前に例えばフッ
酸の溶液や蒸気などによりウエハの表面を洗浄するよう
にしている。

【０００５】しかしながら上述の成膜方法では、成膜プ
ロセス前に反応管とマニホールドとの間に介装されたＯ
リングや、マニホールドとウエハボートの下端の蓋体と
の間のＯリングを透過して反応管内に微量ながら空気が
侵入するが、高温状態例えば６００℃付近でウエハＷの
表面に空気が接触すると自然酸化膜の成長が促進され
る。

【０００６】更にウエハＷのロード時に、高温雰囲気下
で反応管内に巻き込まれた大気圧の空気とウエハＷの表
面とが接触することも自然酸化膜の成長の要因の一つに
なっている。また前記Ｏリングはフッ素ゴム等から作ら
れており、減圧雰囲気下ではＯリングから有機成分が飛
散し、これらが空気中の二酸化炭素などと共に不純物と
して自然酸化膜中に取り込まれる。

【０００７】このため減圧ＣＶＤにより成膜を行うと、
形成された薄膜とその下地膜との間の界面に炭素などを
含んだ自然酸化膜が形成される。このような自然酸化膜
は絶縁物であるため、例えば薄膜間のコンタクト抵抗を
高めることになる。ここでこのような自然酸化膜は極め
て薄いので従来のデバイスではそれ程特性に影響を及ぼ
さなかったが、最近ではデバイスの高集積化が増々進み
つつあってパターンの線幅が微細化しているため、上述
のような自然酸化膜によるコンタクト抵抗がデバイスの
特性に影響を及ぼしつつある。またゲート酸化膜や、Ｎ
−Ｏ膜（Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂）などのキャパシタ絶縁
膜を形成する場合にも耐圧が小さくなって信頼性が低く
なるという問題がある。

【０００８】本発明は、このような事情もとになされた
ものであり、その目的は、被処理体表面の自然酸化膜の
成長を抑制除去することができ、これにより層間のコン
タクト抵抗を小さくすると共に層間の不純物を低減する
成膜方法を提供することにある。また本発明の他の目的
はバッチ処理でエピタキシャル成長を行うことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、複数
の被処理体を保持具に搭載して反応管内に搬入し、反応
管内を加熱雰囲気にして被処理体の表面に成膜する方法
において、被処理体を反応管内に搬入した後反応管内に
不活性ガスで希釈されたフッ化水素酸ガスを供給して被
処理体の表面を清浄化処理し、その後被処理体の表面に
成膜することを特徴とする。

【００１０】請求項２の発明は、複数の被処理体を保持
具に搭載して反応管内に搬入し、反応管内を加熱雰囲気
にして被処理体の表面にエピタキシャル成長を行う方法
において、被処理体を反応管内に搬入した後、反応管内
に不活性ガスで希釈されたフッ化水素酸ガスを供給して
被処理体の表面を清浄化処理し、その後被処理体の表面
にエピタキシャル成長を行うことを特徴とする。

【００１１】

【作用】反応管内に被処理体を搬入した後加熱雰囲気か
つ減圧雰囲気の下で反応管内にフッ化水素酸（ＨＦ）ガ
スを供給すると、既に被処理体の表面に形成されている
自然酸化膜（ＳｉＯ₂）が除去される。即ちＨＦは被処
理体により持ち込まれた極く微量なＨ₂Ｏと反応してＨ
Ｆ₂となり、ＳｉＯ²はこのＨＦ₂ ^-により酸化され、
ＳｉＦ₄あるいはＨ₂Ｏとなって飛ばされる。従ってそ
の後被処理体の表面に成膜すると例えば層間のコンタク
ト抵抗が低減され、またゲート酸化膜やキャパシタ窒化
シリコン膜−酸化シリコン膜の耐圧の低下が避けられ
る。またその表面にエピタキシャル成長を行うことがで
きる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の成膜方法を実施するための縦
型熱処理装置の全体構成を示す図、図２はその装置の封
止構造部分を示す説明図である。図１中２は、例えば石
英で作られた内管２ａ及び外管２ｂよりなる二重管構造
の反応管であり、この反応管２の周囲にはこれを取り囲
むようにヒータ２０が設けられると共に、反応管２の下
部側には金属製のマニホールド３が設けられている。

【００１３】前記内管２ａはマニホールド３の内方側に
支持されると共に、外管２ｂの下端のフランジ部２１と
マニホールド３の上端のフランジ部３１とは、内方側及
び外方側に位置する二重のガスケット例えば金属製のＯ
リング４１、４２を介して気密に接合されている。そし
て内方側のＯリング４１は、例えば表面にニッケルメッ
キ処理が施され、外方側のＯリング４２は、例えばＰＴ
ＦＥなどのエラストマー薄膜により表面が被覆されてい
る。これらＯリング４１、４２の間の空間は、吸引管５
に連通し、図示しない真空ポンプにより吸引管５を介し
て真空排気され、これによりＯリング４１、４２のシー
ル効果を高めている。

【００１４】図３はこの封止構造部分の具体的構成の一
例であり、フランジ部３１側の溝５１、５２に夫々Ｏリ
ング４１、４２を装着すると共に、断面Ｌ字形の押え具
５３により耐熱性スペーサ５４、５５を介してボルト５
６により両者のフランジ部２１、３１を締付固定してい
る。

【００１５】前記マニホールド３は、外管２ｂのフラン
ジ部２１の上面に接合しているベースプレート３２に固
定されており、マニホールド３には、処理ガスを内管２
ａの内方側に供給するためのガス供給管３３が突入して
設けられている。更に前記マニホールド３には、各々、
内管２ａの外方側の空間に開口する排気管６１が接続さ
れており、この排気管６１の途中には別の排気管６２が
接続されている。これら排気管６１、６２は夫々バルブ
Ｖ１、Ｖ２を介してドライポンプ６３、エゼクタポンプ
６４に接続されている。

【００１６】前記反応管２内には、多数枚例えば１００
枚のウエハＷが各々水平な状態で上下に間隔をおいて保
持具であるウエハボート２２に載置されており、このウ
エハボート２２は蓋体２３の上に保温筒２４を介して保
持されている。前記蓋体２３は、ウエハボート２２を反
応管２内に搬入、搬出するための昇降台２５の上に搭載
されており、上限位置にあるときにはマニホールド３の
下端開口部、即ち反応管１とマニホールド３とで構成さ
れる容器の下端開口部を閉塞する役割をもつものであ
る。蓋体２３とマニホールド３の下端のフランジ部３４
との間にも、図２に示すように２重のＯリング４１、４
２が介装されていて、上述と同様の封止構造が採用され
ている。

【００１７】次に上述の装置を用いた本発明方法のプロ
セスについて述べる。先ず反応管２内の温度を例えば約
４００℃に設定し、例えば１００枚の被処理体であるウ
エハＷをウエハボート２を載せて、昇降台２５を上昇さ
せることにより反応管２内に下端開口部より搬入する。
次いでドライポンプ６３により反応管２内を真空排気し
て所定の真空度に維持し、リークチェックや温度チェッ
クなどを行った後表面処理（清浄化処理）を行う。この
表面処理は、図４の実線で示すようにウエハをローディ
ングした後、ポリシリコン膜の成膜処理温度例えば６３
０℃まで反応管２内の温度を昇温する過程において、不
活性ガス例えばＮ₂ガスで含有割合が（ＨＦ／ＨＦ＋Ｎ
₂）が１％（１／１００）以下例えば０．４％となるよ
うに希釈された無水フッ酸（ＨＦ）ガスを供給し、エゼ
クタポンプ６４を用いて反応管２内の圧力を例えば４０
０Ｔｏｒｒに制御して例えば２０分間行われる。続いて
反応管２内を成膜処理の温度に設定して処理ガスを供給
し、ウエハＷの表面に所定の薄膜が形成される。この成
膜処理については、反応管２内を例えば６３０℃の加熱
雰囲気に設定しておいて、例えばＳｉＨ₄ガスを１５０
ＳＣＣＭの流量で供給すると共に圧力を０．３Ｔｏｒｒ
に制御して例えば１０分間成膜を行い、以ってウエハＷ
の表面にポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン
膜は一例であり、デバイスやプロセスの段階に応じてア
モルファスシリコンや、Ｐ形あるいはｎ形の不純物をド
ーピングした薄膜または酸化膜や窒化膜が形成される。

【００１８】ここで上述の表面処理は、ローディング後
に反応管２内を成膜温度よりも高い温度例えば８００℃
に昇温し、この昇温過程において、更にはまたその温度
から成膜温度まで降温する過程においてもＨＦガスを反
応管２内に上述の流量、圧力条件で供給して表面処理を
行うようにしてもよい。またローディング、表面処理、
成膜処理の各温度が同じであってもよい。なおＨＦガス
をＮ₂ガスにより含有割合１％以下に希釈するのは、Ｈ
Ｆは強い酸化作用を有するため、ウエハＷが酸化されて
表面に穴があくことを防ぐためである。そして上述の装
置では、反応管２やマニホールド３を含む容器の封止構
造において二重のＯリングを用いているため、反応管２
内を減圧したときのリークは極めて少ないが、そのリー
クによる極く微量の空気に基づく自然酸化膜の成長を抑
えるためにはウエハＷの搬入（ローディング）後、成膜
を行う直前までＨＦガスを反応管２内に供給して表面処
理を行うことが好ましい。

【００１９】このようなプロセスとウエハＷの表面状態
との関係を図５の模式図を参照しながら述べると、ウエ
ハＷが反応管２内に搬入されていくときに高温の雰囲気
で空気と接触するため図５（ａ）に示すようにウエハＷ
の表面例えばＮ⁺層７１の表面にわずかな自然酸化膜７
２が形成される。ここで上述の表面処理を行うと、ＨＦ
ガスはウエハＷより持ち込まれた極く微量のＨ₂Ｏと反
応してＨＦ₂ ^-となり、このＨＦ₂ ^-が自然酸化膜（Ｓ
ｉＯ₂）７２に作用して、図５（ｂ）に示すようにＳｉ
Ｏ₂が以下の（１）式に示すように酸化されてＳｉＦ₄
あるいはＨ₂Ｏになって飛ばされるものと推察される。

【００２０】ＳｉＯ₂＋２ＨＦ₂ ^- → ＳｉＦ₄＋２ＯＨ^- …（１）これによりＮ⁺層７１の表面の自然酸化膜７２の成長が
抑制された状態で当該表面に図５（ｃ）に示すように例
えばポリシリコン膜７３あるいは酸化膜や窒化膜が形成
される。

【００２１】ここで還元処理を行った場合の効果の確認
は次のようにして行った。即ちＴＥＭにより、ポリシリ
コン膜と下地膜との界面を直接観察したところ、自然酸
化膜は見出だせなかった。またＳＩＭＳによりポリシリ
コン膜を界面に向かって掘っていくと、界面における酸
素量及び炭素量はシリコン基板中の含有量と同じであ
り、従って自然酸化膜の成長及び不純物の介在が抑制さ
れていることが理解される。

【００２２】そして本発明は、ウエハＷの表面にポリシ
リコン膜を成膜する場合のみならず、上述の縦型熱処理
装置を用いて、ウエハＷの表面に例えば選択的にエピタ
キシャル成長を行う場合にも適用できる。

【００２３】即ち反応管２内にウエハＷを搬入して、上
述した方法によりＨＦガスによる表面処理を行った後、
反応管２内に処理ガスを供給し、エピタキシャル成長を
行う。エピタキシャル成長については、反応管２内を例
えば６３０℃の加熱雰囲気に設定しておいて、例えばＳ
ｉＨ₄ガスを１８０ＳＣＣＭの流量で供給すると共に圧
力を０．２Ｔｏｒｒに制御して例えば１０分間エピタキ
シャル成長を行い、以ってエピタキシャル層を形成す
る。このエピタキシャル層は、ＸＲＤにより結晶構造を
調べたことによって確認している。

【００２４】このように縦型ＣＶＤ装置を用いて例えば
約６００℃付近もの低温でエピタキシャル成長が行える
ことは非常に有効である。即ち縦型ＣＶＤ装置は、金属
マニホールドを用いているなど装置構成上例えば約８５
０℃付近までしか加熱することができないため、従来の
バレル形エピタキシャル成長装置のプロセスをそのまま
ま持ち込むことができず、このためエピタキシャル成長
を行うことができなかった。

【００２５】ここで縦型ＣＶＤ装置は例えば１００枚以
上ものウエハを一括して処理することができるので、ス
ループットを向上させることができる上、今までの縦型
ＣＶＤ装置を用いた熱処理システムをそのまま用いてエ
ピタキシャル成長プロセスを組み込むことができる。そ
してまた低温でエピタキシャル成長を行うことができる
ことによりエピタキシャル成長層の下部側の層に対する
悪影響を抑えることができ、従って適用範囲が大きく広
がる。

【００２６】また本発明では、図６に示すように反応管
２の下方側に位置する、ウエハの搬入室３４（ただしこ
の搬入室３４はウエハの搬出室でもある。）を気密構造
にし、この中に不活性ガス例えばＮ₂ガスをパージして
ロードロック室として構成することが望ましい。図６中
３５は、外部との間を開閉するゲートドアである。

【００２７】その理由については、反応管２の下端を開
いているときに大気中の水分が反応管２内に侵入し、ま
たウエハボート２２が石英で構成されている場合には、
石英は水分を吸着しやすいので搬入室３４に待機してい
る間にウエハボート２２に付着する水分量が多くなって
これが反応管２内に持ち込まれるため、これら水分によ
りウエハＷの表面の自然酸化膜の成長が促進されると考
えられるからである。従って搬入室３４を不活性ガス雰
囲気とすれば、反応管２の開放時間の長さが自然酸化膜
の成長に及ぼす影響が少なくなるので、還元処理の管理
をし易いという利点がある。ただし本発明では搬入室３
４をこのようなロードロック室とすることに限定される
ものではない。

【００２８】次に本発明の成膜方法を実施するための縦
型熱処理装置の他の例について図７により説明する。な
お説明の重複を避けるため、図１の装置に対して異なる
部分に関して記述する。この反応管２の周囲に設けられ
た加熱部８は、例えば図８及び図９に示すように断熱体
８１の内周面に、抵抗発熱線８２を上下に繰り返し屈曲
されながら周方向に沿って設けた加熱ブロックを複数段
配列して構成される。抵抗発熱線８２としては例えばニ
ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）を用いることができ、
これによれば反応管２内を５０〜１００℃／分の高速な
速度で昇温させることができる。なお蓋体２３には回転
機構８３が配設され、その回転軸上のターンテーブル８
４には保温筒８５を介して保持具であるウエハボート８
６が搭載されている。

【００２９】前記ウエハボート８６は、図９に示すよう
に例えば周方向に４本配置された石英製の支柱８７に熱
容量の大きな材質例えば石英製のリング状の載置台８８
を例えば３０枚上下に間隔を置いて配列して構成され、
各リング状の載置台８８には、ウエハＷがその周縁部が
当該載置台８８に接触して保持された状態で載置されて
いる。前記リング状の載置台８８は、加熱部８からの熱
線がウエハＷの周縁に輻射されないように、周縁部がウ
エハＷの表面よりも若干高く作られると共に、厚さが内
周側より外周側の方が大きくなるように構成されてい
る。

【００３０】前記加熱部８の下端部と反応管２との間に
は、シャッタ８９を介して装置の外部に開口するかある
いは送気ファン９０に連通する吸気管９１が例えば反応
管１の周方向に４ヶ所形成されており、この吸気管９１
の先端にはノズル９２が設けられている。更に加熱部８
の上面には、排気ダクト９３に連通する排気口９４が形
成されており、この排気ダクト９３には、排気口９４を
開閉するために支軸９５を支点として回動するシャッタ
９６、熱交換器９７及び排気ファン９８が上流側よりこ
の順に設けられている。これら吸気管９１や排気ダクト
９３は、ウエハＷに対して成膜が終了した後に、反応管
２内を強制冷却するための強制冷却手段を構成するもの
である。

【００３１】このような装置では、成膜処理後、加熱部
８のスイッチをオフにし、強制冷却手段のシャッタ８９
及び９６を開くと共に送気ファン９０及び排気ファン９
８を作動させ、これにより吸気管９１のノズル９２から
排気口９４へ向けて加熱部８の内周面に沿って急速に空
気を通流させ、反応管２内を冷却する。

【００３２】従ってこのような装置によれば、反応管内
の昇温及び降温を高速に行うことができるため、被処理
体のローディング時に巻き込んだ不純物あるいはその後
に侵入した極めて微量な水分などの不純物が高温領域に
滞在する時間が、通常の熱処理炉に比べて短くなるた
め、自然酸化膜の成長が抑制される。また反応管内の自
然酸化膜の急速な成長を抑えることができる温度以下に
急速に冷却しているため、熱処理後のウエハ表面におけ
る自然酸化膜の成長が抑制される。なお本発明では、ウ
エハを反応管内に搬入するときの反応管内の温度は、自
然酸化膜の成長が抑制される温度例えば４００℃以下に
設定することが望ましい。

【００３３】更に上述実施例では、気密容器の封止構造
として２重のＯリング４１、４２を用いており、この場
合リークが少ないので自然酸化膜の成長を抑えるという
点で非常に有効な構成であるが、本発明では２重Ｏリン
グの構造に限定されるものではなく、１重Ｏリングであ
ってもよい。

【００３４】そしてまた本発明は横型熱処理装置を用い
る場合に適用してもよいし、被処理体としては半導体ウ
エハに限らずＬＣＤ基板などであってもよい。

【００３５】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、成膜処理の前
に被処理体の表面に対して、フッ化水素酸ガスにより清
浄化処理を行っているため、被処理体の表面の自然酸化
膜の成長を抑えた状態で熱処理例えば薄膜を形成するこ
とができ、この結果層間の例えばコンタクト抵抗と層間
不純物量を小さくすることができるし、またゲート酸化
膜やキャパシタ絶縁膜の耐圧を向上させることができる
などの効果がある。また、請求項２の発明によれば、バ
ッチ式の熱処理装置を用いてエピタキシャル成長を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するための縦型熱処理装置の
一例を示す断面図である。

【図２】縦型熱処理装置の封止構造の一例を模式的に示
す説明図である。

【図３】縦型熱処理装置の封止構造の具体的構造例を示
す断面図である。

【図４】本発明のプロセスの一例に係る工程と温度との
関係を示す説明図である。

【図５】本発明のプロセスを模式的に示す説明図であ
る。

【図６】本発明方法を実施するための縦型熱処理装置の
他の例を示す断面図である。

【図７】本発明方法を実施するための縦型熱処理装置の
更に他の例を示す断面図である。

【図８】図７に示した縦型熱処理装置の加熱部を示す斜
視図である。

【図９】図７に示した縦型熱処理装置のウエハボートを
示す拡大断面図である。

【符号の説明】

２反応管２１、３１、３４フランジ部２２ウエハボート２３蓋体３マニホールド３３ガス供給管６１排気管７２自然酸化膜３４搬入室

フロントページの続き (72)発明者牛川治憲神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番41 号東京エレクトロン東北株式会社相模事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の被処理体を保持具に搭載して反応
管内に搬入し、反応管内を加熱雰囲気にして被処理体の
表面に成膜する方法において、被処理体を反応管内に搬入した後反応管内に、不活性ガ
スで希釈されたフッ化水素酸ガスを供給して被処理体の
表面を清浄化処理し、その後被処理体の表面に成膜する
ことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】複数の被処理体を保持具に搭載して反応
管内に搬入し、反応管内を加熱雰囲気にして被処理体の
表面にエピタキシャル成長を行う方法において、被処理体を反応管内に搬入した後、反応管内に不活性ガ
スで希釈されたフッ化水素酸ガスを供給して被処理体の
表面を清浄化処理し、その後被処理体の表面にエピタキ
シャル成長を行うことを特徴とする成膜方法。