WO2012029661A1 - 半導体装置の製造方法及び基板処理装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法及び基板処理装置 Download PDF

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gas
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保信 越
圭吾 西田
前田　喜世彦
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株式会社日立国際電気
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    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a substrate processing apparatus including a step of processing a substrate, and more particularly to a semiconductor device manufacturing method and a substrate processing apparatus characterized by forming a silicon film.
  • TCAT Transmissionbit Cell Array Transistor
  • BICS Bit-Cost Scalable
  • the surface roughness (surface roughness, Rms) of the silicon film becomes a problem, and it may be difficult to maintain high carrier mobility.
  • Rms surface roughness
  • Patent Document 1 after a silicon film is formed, the surface of the silicon film is polished using an abrasive to form a silicon film having a flat surface.
  • the nucleation growth suppressing step and the nucleation step are defined as one cycle, and a silicon film is formed by repeating two or more cycles,
  • a method for manufacturing a semiconductor device is provided in which the time required for the nucleus growth suppressing step is equal to or shorter than the time required for the nucleus forming step.
  • a processing chamber for processing the substrate A chlorine-containing gas supply system for supplying at least a chlorine-containing gas into the processing chamber; A silicon-containing gas supply system for supplying at least a silicon-containing gas into the processing chamber; A nuclear growth suppression step in which the silicon-containing gas supply system supplies at least the silicon-containing gas into the processing chamber, and the chlorine-containing gas supply system supplies the chlorine-containing gas into the processing chamber to suppress the growth of the nuclei; A nucleation step of forming nuclei on the substrate.
  • the nucleation growth suppression step and the nucleation step are defined as one cycle, and this cycle is repeated two or more cycles.
  • a controller that is controlled to form a silicon film that is set below the time required for the formation process; A substrate processing apparatus is provided.
  • the present invention it is possible to suppress deterioration of the quality of the substrate and the performance of the semiconductor device.
  • 1 is a perspective view of a semiconductor manufacturing apparatus 10 to which a first embodiment of the present invention is applied.
  • 1 is a side sectional view of a processing furnace 202 of a semiconductor manufacturing apparatus 10 to which a first embodiment of the present invention is applied, and a control configuration of each part.
  • 1 is a schematic diagram of a processing furnace 202 and its peripheral structure of a semiconductor manufacturing apparatus 10 to which a first embodiment of the present invention is applied. It is a schematic diagram which shows the state of the board
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a semiconductor manufacturing apparatus 10 as a substrate processing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • This semiconductor manufacturing apparatus 10 is a batch type vertical heat treatment apparatus, and has a casing 12 in which a main part is arranged.
  • the semiconductor manufacturing apparatus 10 includes a hoop (hereinafter referred to as a pod) 16 as a substrate container that stores a wafer 200 as a substrate made of, for example, Si (silicon, silicon) or SiC (silicon carbide, silicon carbide). Used as a wafer carrier.
  • a pod stage 18 is disposed on the front side of the housing 12, and the pod 16 is conveyed to the pod stage 18. For example, 25 wafers 200 are stored in the pod 16 and placed on the pod stage 18 with the lid closed.
  • a pod transfer device 20 is arranged at a position facing the pod stage 18 on the front side in the housing 12. Further, a pod shelf 22, a pod opener 24, and a substrate number detector 26 are disposed in the vicinity of the pod transfer device 20.
  • the pod shelf 22 is disposed above the pod opener 24 and configured to hold a plurality of pods 16 mounted thereon.
  • the substrate number detector 26 is disposed adjacent to the pod opener 24.
  • the pod carrying device 20 carries the pod 16 among the pod stage 18, the pod shelf 22, and the pod opener 24.
  • the pod opener 24 opens the lid of the pod 16, and the substrate number detector 26 detects the number of wafers 200 in the pod 16 with the lid opened.
  • the substrate transfer machine 28 has an arm (tweezer) 32 and has a structure that can be rotated up and down by a driving means (not shown).
  • the arm 32 can take out, for example, five wafers 200, and the wafers 200 are transferred between the pod 16 and the boat 217 placed at the position of the pod opener 24 by moving the arm 32.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the processing furnace 202 of the substrate processing apparatus preferably used in the embodiment of the present invention, and is shown as a longitudinal sectional view.
  • the processing furnace 202 has a heater 206 as a heating mechanism.
  • the heater 206 has a cylindrical shape, for example, a cylindrical shape, and is vertically installed by being supported by a heater base as a holding plate (not shown).
  • a process tube 203 as a reaction tube is disposed inside the heater 206 concentrically with the heater 206.
  • the process tube 203 is composed of an inner tube 204 as an internal reaction tube and an outer tube 205 as an external reaction tube provided on the outside thereof.
  • the inner tube 204 is made of a heat-resistant material such as quartz (SiO 2 ) or silicon carbide (SiC), and is formed in a cylindrical shape with an upper end and a lower end opened.
  • a processing chamber 201 is formed in a cylindrical hollow portion of the inner tube 204, and is configured to be able to accommodate wafers 200 as substrates in a state where they are arranged in multiple stages in a horizontal posture and in a vertical direction by a boat 217 described later.
  • the outer tube 205 is made of a heat-resistant material such as quartz or silicon carbide, has an inner diameter larger than the outer diameter of the inner tube 204, is formed in a cylindrical shape with the upper end closed and the lower end opened. It is provided concentrically with the tube 204.
  • a manifold 209 is disposed concentrically with the outer tube 205.
  • the manifold 209 is made of, for example, stainless steel and is formed in a cylindrical shape with an upper end and a lower end opened.
  • the manifold 209 is engaged with the inner tube 204 and the outer tube 205, and is provided so as to support them.
  • An O-ring 220a as a seal member is provided between the manifold 209 and the outer tube 205. Since the manifold 209 is supported by a heater base (not shown), the process tube 203 is installed vertically.
  • a reaction vessel is mainly formed by the process tube 203 and the manifold 209.
  • Nozzles 230a, 230b, and 230c as gas introduction portions are connected to the manifold 209 so as to communicate with the inside of the processing chamber 201, and gas supply pipes 232a, 232b, and 232c are connected to the nozzles 230a, 230b, and 230c, respectively. ing.
  • MFCs mass flow controllers, Mass Flow Controllers
  • a silicon-containing gas source 300a, a chlorine-containing gas source 300b, and an inert gas source 300c are connected through valves 310a, 310b, and 310c as opening / closing devices.
  • a gas flow rate control unit 235 is electrically connected to the MFCs 241a, 241b, and 241c, and is configured to control at a desired timing so that the flow rate of the supplied gas becomes a desired amount.
  • the nozzle 230 a that supplies, for example, disilane (Si 2 H 6 ) gas as the silicon-containing gas is made of, for example, quartz, and is provided in the manifold 209 so as to penetrate the manifold 209. At least one nozzle 230 a is provided, and is provided in a region below the region facing the heater 206 and facing the manifold 209, and configured to supply the silicon-containing gas into the processing chamber 201.
  • the nozzle 230a is connected to the gas supply pipe 232a.
  • This gas supply pipe 232a is connected to a silicon-containing gas source 300a that supplies, for example, disilane (Si 2 H 6 ) gas as a silicon-containing gas via a mass flow controller 241a as a flow rate controller (flow rate control means) and a valve 310a.
  • a silicon-containing gas source 300a that supplies, for example, disilane (Si 2 H 6 ) gas as a silicon-containing gas via a mass flow controller 241a as a flow rate controller (flow rate control means) and a valve 310a.
  • a silicon-containing gas supply system as a gas supply system is mainly configured by the silicon-containing gas source 300a, the valve 310a, the mass flow controller 241a, the gas supply pipe 232a, and the nozzle 230a.
  • the nozzle 230 b that supplies, for example, dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) gas as the chlorine-containing gas is made of, for example, quartz, and is provided in the manifold 209 so as to penetrate the manifold 209. At least one nozzle 230b is provided, is provided in a region below the region facing the heater 206 and facing the manifold 209, and is configured to supply a chlorine-containing gas into the processing chamber 201.
  • the nozzle 230b is connected to the gas supply pipe 232b.
  • the gas supply pipe 232b is connected to a chlorine-containing gas source 300b that supplies, for example, dichlorosilane gas as a chlorine-containing gas via a mass flow controller 241b as a flow rate controller (flow rate control means) and a valve 310b.
  • a chlorine-containing gas supply system as a gas supply system is mainly configured by the chlorine-containing gas source 300b, the valve 310b, the mass flow controller 241b, the gas supply pipe 232b, and the nozzle 230b.
  • the nozzle 230 c that supplies, for example, nitrogen (N 2 ) gas as an inert gas is made of, for example, quartz, and is provided in the manifold 209 so as to penetrate the manifold 209. At least one nozzle 230 c is provided, is provided in a region below the region facing the heater 206 and facing the manifold 209, and is configured to supply an inert gas into the processing chamber 201.
  • the nozzle 230c is connected to the gas supply pipe 232d.
  • the gas supply pipe 232c is connected to an inert gas source 300c that supplies, for example, nitrogen gas as an inert gas via a mass flow controller 241c as a flow rate controller (flow rate control means) and a valve 310c.
  • An inert gas supply system as a gas supply system is mainly configured by the inert gas source 300c, the valve 310c, the mass flow controller 241c, the gas supply pipe 232c, and the nozzle 230c.
  • a gas supply amount control unit 235 is electrically connected to the valves 310a, 310b, 310c and the mass flow controllers 241a, 241b, 241c, so that a gas supply amount, a gas supply start, a gas supply stop, etc. can be performed at a desired timing. Configured to control.
  • the nozzles 230a, 230b, and 230c are provided in the region facing the manifold 209.
  • the present invention is not limited to this.
  • at least a part of the nozzles 230a, 230b, and 230c is provided in the region facing the heater 206.
  • a chlorine-containing gas or an inert gas may be supplied in the wafer processing region.
  • the gas supply position may be extended to the wafer processing region, so that the gas can be supplied near the wafer from one or more positions.
  • nozzles may be provided in either the area facing the manifold 209 or the area facing the heater 206.
  • the disilane gas is exemplified as the silicon-containing gas.
  • the present invention is not limited to this.
  • a higher order silane gas such as silane (SiH 4 ) gas or trisilane (Si 3 H 8 ) gas may be used.
  • SiH 4 silane
  • Si 3 H 8 trisilane
  • dichlorosilane (SiH 2 Cl 2) gas as the chlorine-containing gas is not limited thereto, for example, trichlorosilane (SiHCl 3) gas and tetrachlorosilane (SiCl 4) chlorosilane such as a gas
  • trichlorosilane (SiHCl 3) gas and tetrachlorosilane (SiCl 4) chlorosilane such as a gas
  • chlorine (Cl 2 ) gas, hydrogen chloride (HCl) gas, or the like may be used, or a combination thereof may be used.
  • nitrogen (N 2 ) gas is exemplified as the inert gas.
  • the present invention is not limited thereto, and examples thereof include rare gases such as helium (He) gas, neon (Ne) gas, and argon (Ar) gas.
  • nitrogen gas and these rare gases may be used in combination.
  • the manifold 209 is provided with an exhaust pipe 231 for exhausting the atmosphere in the processing chamber 201.
  • the exhaust pipe 231 is disposed at the lower end portion of the cylindrical space 250 formed by the gap between the inner tube 204 and the outer tube 205 and communicates with the cylindrical space 250.
  • a vacuum exhaust device 246 such as a vacuum pump is connected to the downstream side of the exhaust pipe 231 opposite to the connection side with the manifold 209 via a pressure sensor 245 as a pressure detector and a pressure adjusting device 242.
  • the processing chamber 201 can be evacuated so that the pressure in the processing chamber 201 becomes a predetermined pressure (degree of vacuum).
  • a pressure control unit 236 is electrically connected to the pressure adjusting device 242 and the pressure sensor 245.
  • the pressure control unit 236 is configured to control the pressure adjusting device 242 at a desired timing so that the pressure in the processing chamber 201 becomes a desired pressure based on the pressure detected by the pressure sensor 245. .
  • a seal cap 219 is provided as a furnace opening lid capable of airtightly closing the lower end opening of the manifold 209.
  • the seal cap 219 is brought into contact with the lower end of the manifold 209 from the lower side in the vertical direction.
  • the seal cap 219 is made of, for example, a metal such as stainless steel and is formed in a disk shape.
  • an O-ring 220b is provided as a seal member that comes into contact with the lower end of the manifold 209.
  • a rotation mechanism 254 that rotates the boat 217 is installed on the side of the seal cap 219 opposite to the processing chamber 201.
  • a rotation shaft 255 of the rotation mechanism 254 passes through the seal cap 219 and is connected to a boat 217 described later, and is configured to rotate the wafer 200 by rotating the boat 217.
  • the seal cap 219 is configured to be lifted vertically by a boat elevator 115 as a lifting mechanism vertically installed outside the process tube 203, and thereby the boat 217 is carried into and out of the processing chamber 201. It is possible to do.
  • a drive control unit 237 is electrically connected to the rotation mechanism 254 and the boat elevator 115, and is configured to control at a desired timing so as to perform a desired operation.
  • the boat 217 as a substrate holder is made of a heat-resistant material such as quartz or silicon carbide, and holds a plurality of wafers 200 in a horizontal posture and aligned in a state where the centers are aligned with each other in multiple stages. It is configured.
  • a plurality of heat insulating plates 216 made of a heat-resistant material such as quartz or silicon carbide and having a disk shape are arranged in a multi-stage in a horizontal posture at the lower portion of the boat 217. The heat from 206 is difficult to be transmitted to the manifold 209 side.
  • a temperature sensor 263 is installed as a temperature detector.
  • a temperature controller 238 is electrically connected to the heater 206 and the temperature sensor 263, and by adjusting the power supply to the heater 206 based on the temperature information detected by the temperature sensor 263, Control is performed at a desired timing so that the temperature has a desired temperature distribution.
  • the gas flow rate control unit 235, the pressure control unit 236, the drive control unit 237, and the temperature control unit 238 also constitute an operation unit and an input / output unit, and are electrically connected to a main control unit 239 that controls the entire substrate processing apparatus. ing. These gas flow rate control unit 235, pressure control unit 236, drive control unit 237, temperature control unit 238, and main control unit 239 are configured as a controller 240.
  • the boat 217 holding the plurality of wafers 200 is lifted by the boat elevator 115 and processed in the processing chamber 201. It is carried in (boat loading). In this state, the seal cap 219 seals the lower end of the manifold 209 via the O-ring 220b.
  • the processing chamber 201 is evacuated by the evacuation device 246 so as to have a desired pressure (degree of vacuum). At this time, the pressure in the processing chamber 201 is measured by the pressure sensor 245, and feedback control is performed by the pressure regulator 242 based on the measured pressure. In addition, the heater 206 is heated so that the inside of the processing chamber 201 has a desired temperature. At this time, the power supply to the heater 206 is feedback-controlled based on the temperature information detected by the temperature sensor 263 so that the inside of the processing chamber 201 has a desired temperature distribution. Subsequently, the wafer 200 is rotated by rotating the boat 217 by the rotation mechanism 254.
  • a silicon-containing gas is supplied as a processing gas from a silicon-containing gas supply source 300a.
  • the silicon-containing gas controlled to have a desired flow rate by the MFC 241a is introduced into the processing chamber 201 from the nozzle 230a through the gas supply pipe 232a.
  • the introduced silicon-containing gas rises in the processing chamber 201, flows out from the upper end opening of the inner tube 204 into the cylindrical space 250, and is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the silicon-containing gas contacts the surface of the wafer 200 when passing through the processing chamber 201, and at this time, a film, for example, a silicon film is deposited on the wafer 200 by a thermal CVD reaction.
  • the inert gas is supplied from the inert gas supply source 300c so as to have a desired flow rate by the MFC 241c, and the inside of the processing chamber 201 is replaced with the inert gas.
  • the pressure in the processing chamber 201 is restored to normal pressure.
  • the seal cap 219 is lowered by the boat elevator 115, the lower end of the manifold 209 is opened, and the processed wafer 200 is carried out from the lower end of the manifold 209 to the outside of the process tube 203 while being held by the boat 217 ( Boat unloading). Thereafter, the processed wafer 200 is taken out from the boat 217 (wafer discharge).
  • a target film is formed on the substrate in the following procedure as one step of the manufacturing process of the semiconductor device.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the state of the substrate in each step in the first embodiment.
  • a silicon film having a predetermined film thickness is formed on a wafer 200 serving as a substrate by supplying a chlorine-containing gas and a silicon-containing gas.
  • a silicon film having a predetermined thickness can be formed while controlling the in-plane distribution of the silicon film formed on the wafer surface. Details will be described below.
  • This step is a step of suppressing local silicon growth by removing a part of nuclei (impurities existing on the initial substrate, formed silicon nuclei, etc.) and suppressing growth.
  • a chlorine-containing gas is supplied for a predetermined time, and as shown in FIG. 4B, the silicon nucleus formed in FIG. The growth is suppressed, and some silicon nuclei are detached from the wafer 200 to control the growth of silicon nuclei.
  • chlorine-containing gas is exemplified dichlorosilane (SiH 2 Cl 2) gas, not limited to this, for example, trichlorosilane (SiHCl 3) gas and tetrachlorosilane (SiCl 4) may be used gas and Further, chlorine (Cl 2 ) gas, hydrogen chloride (HCl) gas, or the like may be used, or a combination thereof may be used.
  • dichlorosilane (SiH 2 Cl 2) gas not limited to this, for example, trichlorosilane (SiHCl 3) gas and tetrachlorosilane (SiCl 4) may be used gas and Further, chlorine (Cl 2 ) gas, hydrogen chloride (HCl) gas, or the like may be used, or a combination thereof may be used.
  • the processing conditions when processing the wafer 200 in the processing chamber 201 of the present embodiment that is, the processing conditions when controlling the silicon nucleus growth by dichlorosilane gas on the wafer 200 are as follows: Processing temperature: 300 ° C. or more and 500 ° C. or less, Processing pressure: 10 Pa or more and 1330 Pa or less, Dichlorosilane gas supply flow rate: 10 sccm or more and 5000 sccm or less, By maintaining each processing condition constant at a certain value within each range, the growth of silicon nuclei on the wafer 200 can be suppressed.
  • This step is a step of forming silicon nuclei on the substrate.
  • the nucleus can be formed so as to spread the silicon nucleus on the substrate.
  • a film forming process for forming, for example, an amorphous silicon (amorphous silicon) film on a wafer 200 as a substrate composed of silicon or the like will be described.
  • at least a silicon-containing gas is supplied into the processing chamber 201 for a predetermined time to form silicon nuclei on the wafer 200.
  • silicon-containing gas examples include silane gas (SiH 4 gas), disilane gas (Si 2 H 6 gas), and the like, and a combination thereof may be used.
  • the processing conditions when processing the wafer 200 in the processing chamber 201 of the present embodiment are as follows: Processing temperature: 300 ° C. or more and 500 ° C. or less, Processing pressure: 10 Pa or more and 1330 Pa or less, Disilane gas supply flow rate: 10 sccm or more and 5000 sccm or less, A silicon nucleus is formed on the wafer 200 by maintaining each processing condition constant at a certain value within each range.
  • nucleation step which is a step of forming silicon nuclei on the substrate
  • new silicon nuclei are formed as shown in FIG.
  • the nucleation growth suppressing step (FIG. 4B) and the nucleation step (FIG. 4C) are set as one cycle, and this cycle is repeated two or more cycles, whereby as shown in FIG. Silicon nuclei are uniformly formed thereon, and the formed silicon nuclei are grown, whereby a silicon film is formed on the wafer 200.
  • the silicon nucleus formed on the wafer 200 is further coarsened by supplying a silicon-containing gas and grows into a silicon film. However, when the silicon nuclei grow coarse and grow into a silicon film, the silicon nuclei that were formed first start growing faster, while other parts where no silicon nuclei are formed are delayed. Since nuclei are formed, there is a difference in the size of silicon nuclei formed on the wafer 200. When a difference occurs in the size of the silicon nucleus, a difference occurs in the in-plane distribution of the film thickness of the silicon film formed on the wafer 200.
  • the first silicon-containing gas is first supplied for a predetermined time, and then the chlorine-containing gas is supplied, whereby the first silicon-containing gas is supplied on the wafer 200.
  • the coarsening of the silicon nuclei formed in is delayed.
  • silicon nuclei are formed at predetermined locations on the wafer 200 where silicon nuclei were not formed at the first time by supplying the silicon-containing gas from the second time on for a predetermined time.
  • the silicon nuclei can be uniformly formed on the wafer 200, and the uniformly formed silicon nuclei are controlled and grown.
  • the formed silicon film can be formed with good in-plane film thickness uniformity.
  • a silicon oxide film is preferably formed on the wafer 200, and the amorphous silicon film 710 is preferably formed on the silicon oxide film formed on the wafer 200 by the above-described method.
  • the adhesion between the formed amorphous silicon film 710 and the silicon oxide film is increased, it is possible to reduce deterioration of the performance of the semiconductor device to be formed and to suppress a decrease in throughput. .
  • pretreatment is performed before the nucleation step.
  • pretreatment is performed before the nucleation step.
  • a step of vacuum replacement or nitrogen gas replacement of the inside of the reaction furnace may be provided between the nucleation growth suppressing step and the nucleation step. Thereby, the gas supplied by each process can be made to react efficiently.
  • the film formation by the CVD method has been described.
  • the present invention is not limited thereto, and for example, an ALD (Atomic Layer Deposition) method may be used.
  • the supply of the processing gas is stopped, the inert gas is supplied from the inert gas supply source, the inside of the processing chamber 201 is replaced with the inert gas, and the pressure in the processing chamber 201 is normal pressure. Returned to
  • the seal cap 219 is lowered by the elevating motor 122 so that the lower end of the manifold 209 is opened, and the boat 217 holding the processed wafer 200 is unloaded from the lower end of the manifold 209 to the outside of the processing chamber 201 (boat unloading).
  • the boat 217 waits at a predetermined position until all the wafers 200 supported by the boat 217 are cooled.
  • the wafer 200 of the waiting boat 217 is cooled to a predetermined temperature
  • the wafer 200 is taken out from the boat 217 by the substrate (wafer) transfer device 28 and transferred to the empty pod 16 set in the pod opener 24. And accommodate.
  • the pod 16 containing the wafer 200 is transferred to the pod shelf 22 or the pod stage 18 by the pod transfer device 20. In this way, a series of operations of the semiconductor manufacturing apparatus 10 is completed.
  • FIG. 5 shows a film formation result of the silicon film formed by the above method.
  • the displayed sample data are the results when the time required for the nucleation process is X [sec.] And the time required for the nucleation suppression process is 0.4X, X, 2X [sec.]. It is.
  • the vertical axis in FIG. 5 indicates the film thickness value [ ⁇ ] of the silicon film formed under each condition on the right side, and the in-plane deviation value [ ⁇ ] indicating the in-plane distribution of the wafer on the left side. Indicates the ratio [ ⁇ ] divided by “time required for the nucleation process” divided by “time required for the nucleation process”.
  • the in-plane deviation value indicates the difference between the measured maximum film thickness value and the minimum film thickness value on the wafer. A small in-plane deviation value indicates that the formed film is uniformly formed on the wafer.
  • the time required for the nucleus growth suppression process is relatively longer than “the time required for the nucleus formation process”, that is, the film deposition rate gradually decreases as the left side in FIG. I understand.
  • the in-plane deviation value gradually increases as the “time required for the nucleation suppression step” becomes longer than the “time required for the nucleation step” (when the time ratio in the figure exceeds 1.0).
  • a silicon film having a small in-plane deviation value can be formed when the ratio between the “time required for the nucleus growth suppression process” and the “time required for the nucleus formation process” is 0.4 or more and 1 or less.
  • a silicon film having a good in-plane distribution of film thickness can be formed.
  • an insulating film made of silicon can be formed uniformly.
  • the time required for the nucleus growth suppressing step is 0.4 times or more and 1 time or less with respect to the time required for the nucleation step.
  • good step coverage can be obtained.
  • a semiconductor device having good performance can be stably manufactured, and throughput can be improved.
  • the second embodiment is a modification of the first embodiment, and is a film forming method in which the nucleus growth step is performed after one cycle of the nucleus growth suppression step and the nucleus formation step, and this cycle is repeated two or more cycles. . Details will be described below.
  • chlorine-containing gas is exemplified dichlorosilane (SiH 2 Cl 2) gas, not limited to this, for example, trichlorosilane (SiHCl 3) gas and tetrachlorosilane (SiCl 4) may be used gas and Further, chlorine (Cl 2 ) gas, hydrogen chloride (HCl) gas, or the like may be used, or a combination thereof may be used.
  • dichlorosilane (SiH 2 Cl 2) gas not limited to this, for example, trichlorosilane (SiHCl 3) gas and tetrachlorosilane (SiCl 4) may be used gas and Further, chlorine (Cl 2 ) gas, hydrogen chloride (HCl) gas, or the like may be used, or a combination thereof may be used.
  • the processing conditions when processing the wafer 200 in the processing chamber 201 of the present embodiment that is, the processing conditions when controlling the silicon nucleus growth by dichlorosilane gas on the wafer 200 are as follows: Processing temperature: 300 ° C. or more and 500 ° C. or less, Processing pressure: 10 Pa or more and 1330 Pa or less, Dichlorosilane gas supply flow rate: 10 sccm or more and 5000 sccm or less, In this case, the growth of silicon nuclei formed on the wafer 200 can be suppressed by maintaining each processing condition constant at a certain value within each range.
  • a film forming process for forming, for example, an amorphous silicon (amorphous silicon) film 710 on a wafer 200 as a substrate composed of silicon or the like will be described.
  • at least a silicon-containing gas is supplied into the processing chamber 201 for a predetermined time to form silicon nuclei on the wafer 200.
  • silicon-containing gas examples include silane gas (SiH 4 gas), disilane gas (Si 2 H 6 gas), and the like, and a combination thereof may be used.
  • the processing conditions when processing the wafer 200 in the processing chamber 201 of the present embodiment are as follows: Processing temperature: 300 ° C. or more and 500 ° C. or less, Processing pressure: 10 Pa or more and 1330 Pa or less, Disilane gas supply flow rate: 10 sccm or more and 5000 sccm or less, In this case, silicon nuclei are formed on the wafer 200 by keeping the respective processing conditions constant at a certain value within the respective ranges.
  • the nucleus growth process is a process in which a nucleus growth suppression process and a nucleus formation process are defined as one cycle, and after performing this cycle two or more cycles, silicon nuclei spread on the substrate are grown.
  • a silicon-containing gas is supplied for a predetermined time, and the formed silicon nuclei are grown to form a silicon film.
  • silicon-containing gas examples include silane gas (SiH 4 gas), disilane gas (Si 2 H 6 gas), and the like, and a combination thereof may be used.
  • the processing conditions when processing the wafer 200 in the processing chamber 201 of the present embodiment are as follows: Processing temperature: 300 ° C. or more and 500 ° C. or less, Processing pressure: 10 Pa or more and 1330 Pa or less, Silane gas supply flow rate: 10 sccm or more and 5000 sccm or less, The silicon nuclei formed on the wafer 200 grow by maintaining each processing condition constant at a certain value within each range, and a silicon film is formed.
  • silicon nuclei uniformly formed on the wafer 200 can be efficiently grown, and a silicon film can be formed.
  • At least one of the following effects can be obtained.
  • a silicon film can be formed by efficiently growing silicon nuclei. it can.
  • consumption of the source gas can be suppressed.
  • the present invention can be applied not only to batch type apparatuses but also to single wafer type apparatuses.

Abstract

　基板に核を形成する核形成工程と、核の成長を抑制する核成長抑制工程と、を有し、核形成工程と核成長抑制工程とを１サイクルとして、複数サイクル繰り返して膜を形成し、核成長抑制工程にかかる時間は、核成長工程にかかる時間以下であること、あるいは、サイクルを複数サイクル繰り返した後、更に核形成工程を行う。

Description

半導体装置の製造方法及び基板処理装置
　本発明は、基板を処理する工程を有する半導体装置の製造方法及び基板処理装置に関して、特にシリコン膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法及び基板処理装置に関する。
　半導体装置の製造工程の一工程において、２ｘnm（ナノメートル）以降のNANDフラシュメモリを、隣接セル間干渉の回避およびビットコスト低減のため、シリコン膜を有するFG（FloatingGate、フローティング　ゲート）構造或いはシリコン膜を縦トランジスタチャネルとするTCAT(Terabit Cell Array Transistor、テラビット　セル　アレイ　トランジスター)およびBICS（Bit-Cost Scalable、ビット　コスト　スケーラブル）へ応用することが提案されている。
　しかし、上述の応用例に対しシリコン膜を適用する際に、シリコン膜の表面粗さ（表面ラフネス、Ｒｍｓ）が問題となり、高いキャリアー移動度を維持することが困難になることがあった。そして、半導体装置の一部として適用された場合、適用された半導体装置の性能を十分に発揮できず、スループットを低下させる原因となることがあった。
　一方、特許文献１では、シリコン膜を形成した後、研磨剤を用いてシリコン膜の表面を研磨することにより、平坦な表面を有するシリコン膜を形成していた。
特開平７－２４９６００号公報
　しかしながら、シリコン膜の表面を研磨する時に汚染物やパーティクルが発生し、その汚染物やパーティクルがシリコン膜等を有する基板に混入することにより、基板の品質や半導体装置の性能が劣化してしまう等の課題を生じてしまうことがあった。
　本発明は上述の課題を解決し、基板の品質や半導体装置の性能の劣化を抑制する半導体装置の製造方法及び基板処理装置を提供することを目的とする。
　本発明の一態様によれば、
　塩素含有ガスを基板上に供給することにより基板上の核の成長を抑制し、局所的なシリコン成長を制御する核成長抑制工程と、
　シリコン含有ガスを基板上に供給することにより基板上のシリコン核を形成する核形成工程と、を有し、
　前記核成長抑制工程と前記核形成工程とを１サイクルとし、２サイクル以上繰り返してシリコン膜を形成し、
　前記核成長抑制工程にかかる時間は、前記核形成工程にかかる時間以下である半導体装置の製造方法が提供される。
　本発明の他の態様によれば、
　基板を処理する処理室と、
　前記処理室内に少なくとも塩素含有ガスを供給する塩素含有ガス供給系と、
　前記処理室内に少なくともシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給系と、
　前記シリコン含有ガス供給系が前記処理室内に少なくとも前記シリコン含有ガスを供給し前記塩素含有ガス供給系が前記処理室内に前記塩素含有ガスを供給し前記核の成長を抑制する核成長抑制工程と、前記基板に核を形成する核形成工程とからなり、前記核成長抑制工程と前記核形成工程とを１サイクルとし、本サイクルを２サイクル以上繰り返し、前記核成長抑制工程にかかる時間は、前記核形成工程にかかる時間以下に設定されてシリコン膜を形成するように制御するコントローラと、
を有する基板処理装置が提供される。
　本発明によれば、基板の品質や半導体装置の性能の劣化を抑制することができる。
本発明の第１実施形態が適用される半導体製造装置１０の斜視図を示す。 本発明の第１実施形態が適用される半導体製造装置１０の処理炉２０２側面断面図および各部の制御構成を示す。 本発明の第１実施形態が適用される半導体製造装置１０の処理炉２０２及びその周辺構造の概略図を示す。 本発明の第１実施形態における各工程の基板の状態を示す模式図である。 本発明の第１実施形態にて評価した結果を示す図である。
[第１実施形態]
　以下に、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る基板処理装置としての半導体製造装置１０の一例であり、斜視図にて示す。この半導体製造装置１０は、バッチ式縦型熱処理装置であり、主要部が配置される筐体１２を有する。半導体製造装置１０には、例えば、Ｓｉ（シリコン、珪素）又はＳｉＣ（シリコンカーバイド、炭化珪素）等で構成された基板としてのウエハ２００を収納する基板収納器としてフープ（以下、ポッドという）１６が、ウエハキャリアとして使用される。この筐体１２の正面側には、ポッドステージ１８が配置されており、このポッドステージ１８にポッド１６が搬送される。ポッド１６には、例えば２５枚のウエハ２００が収納され、蓋が閉じられた状態でポッドステージ１８に載置される。
　筐体１２内の正面側であって、ポッドステージ１８に対向する位置には、ポッド搬送装置２０が配置されている。また、このポッド搬送装置２０の近傍には、ポッド棚２２、ポッドオープナ２４及び基板枚数検知器２６が配置されている。ポッド棚２２は、ポッドオープナ２４の上方に配置され、ポッド１６を複数個載置した状態で保持するように構成されている。基板枚数検知器２６は、ポッドオープナ２４に隣接して配置される。ポッド搬送装置２０は、ポッドステージ１８とポッド棚２２とポッドオープナ２４との間でポッド１６を搬送する。ポッドオープナ２４は、ポッド１６の蓋を開けるものであり、基板枚数検知器２６は蓋を開けられたポッド１６内のウエハ２００の枚数を検知する。
　筐体１２内には、基板移載機２８、基板支持具としてのボート２１７が配置されている。基板移載機２８は、アーム（ツィーザ）３２を有し、図示しない駆動手段により、上下回転動作が可能な構造になっている。アーム３２は、例えば５枚のウエハ２００を取り出すことができ、このアーム３２を動かすことにより、ポッドオープナ２４の位置に置かれたポッド１６及びボート２１７間にてウエハ２００を搬送する。
　図２は、本発明の実施の形態で好適に用いられる基板処理装置の処理炉２０２の概略構成図であり、縦断面図として示されている。
　図２に示されているように、処理炉２０２は加熱機構としてのヒータ２０６を有する。ヒータ２０６は筒形状であり、例えば円筒形状であり、図示しない保持板としてのヒータベースに支持されることにより垂直に据え付けられている。
　ヒータ２０６の内側には、ヒータ２０６と同心円状に反応管としてのプロセスチューブ２０３が配設されている。プロセスチューブ２０３は、内部反応管としてのインナーチューブ２０４と、その外側に設けられた外部反応管としてのアウターチューブ２０５と、から構成されている。インナーチューブ２０４は、例えば石英（ＳｉＯ２）または炭化珪素（ＳｉＣ）等の耐熱性材料で構成されており、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。インナーチューブ２０４の筒中空部には、処理室２０１が形成されており、基板としてのウエハ２００を後述するボート２１７によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。アウターチューブ２０５は、例えば石英または炭化珪素等の耐熱性材料で構成されており、内径がインナーチューブ２０４の外径よりも大きく、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されており、インナーチューブ２０４と同心円状に設けられている。
　アウターチューブ２０５の下方には、アウターチューブ２０５と同心円状にマニホールド２０９が配設されている。マニホールド２０９は、例えばステンレス等で構成されており、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド２０９は、インナーチューブ２０４とアウターチューブ２０５とに係合しており、これらを支持するように設けられている。なお、マニホールド２０９とアウターチューブ２０５との間には、シール部材としてのＯリング２２０ａが設けられている。マニホールド２０９が図示しないヒータベースに支持されることにより、プロセスチューブ２０３は垂直に据え付けられた状態となっている。主にプロセスチューブ２０３とマニホールド２０９とにより反応容器が形成される。
　マニホールド２０９にはガス導入部としてのノズル２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃが処理室２０１内に連通するように接続されており、ノズル２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃにはそれぞれガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃが接続されている。ガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃのノズル２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃとの接続側と反対側である上流側には、ガス流量制御器としてのＭＦＣ（マスフローコントローラ、Mass Flow Controller）２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ及び開閉装置としてのバルブ３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃを介して、シリコン含有ガス源３００ａ、塩素含有ガス源３００ｂ、不活性ガス源３００ｃが接続されている。ＭＦＣ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃには、ガス流量制御部２３５が電気的に接続されており、供給するガスの流量が所望の量となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。
　シリコン含有ガスとして例えばジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを供給するノズル２３０ａは、例えば石英製であり、マニホールド２０９を貫通するようにマニホールド２０９に設けられている。ノズル２３０ａは、少なくとも１本設けられており、ヒータ２０６と対向する領域より下方であってマニホールド２０９と対向する領域に設けられ、シリコン含有ガスを処理室２０１内へ供給するよう構成されている。ノズル２３０ａは、ガス供給管２３２ａに接続されている。このガス供給管２３２ａは、流量制御器（流量制御手段）としてのマスフローコントローラ２４１ａ及びバルブ３１０ａを介してシリコン含有ガスとして、例えばジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを供給するシリコン含有ガス源３００ａに接続されている。この構成により、処理室２０１内へ供給するシリコン含有ガス、例えばジシランガスの供給流量、濃度、分圧を制御することができる。主に、シリコン含有ガス源３００ａ、バルブ３１０ａ、マスフローコントローラ２４１ａ、ガス供給管２３２ａ、ノズル２３０ａにより、ガス供給系としてのシリコン含有ガス供給系が構成される。
　塩素含有ガスとして例えばジクロロシラン（SiH2Cl2）ガスを供給するノズル２３０ｂは、例えば石英製であり、マニホールド２０９を貫通するようにマニホールド２０９に設けられている。ノズル２３０ｂは、少なくとも１本設けられており、ヒータ２０６と対向する領域より下方であってマニホールド２０９と対向する領域に設けられ、塩素含有ガスを処理室２０１内へ供給するよう構成されている。ノズル２３０ｂは、ガス供給管２３２ｂに接続されている。このガス供給管２３２ｂは、流量制御器（流量制御手段）としてのマスフローコントローラ２４１ｂ及びバルブ３１０ｂを介して塩素含有ガスとして、例えばジクロロシランガスを供給する塩素含有ガス源３００ｂに接続されている。この構成により、処理室２０１内へ供給する塩素含有ガス、例えばジクロロシランガスの供給流量、濃度、分圧を制御することができる。主に、塩素含有ガス源３００ｂ、バルブ３１０ｂ、マスフローコントローラ２４１ｂ、ガス供給管２３２ｂ、ノズル２３０ｂにより、ガス供給系としての塩素含有ガス供給系が構成される。
　不活性ガスとして例えば窒素（Ｎ２）ガスを供給するノズル２３０ｃは、例えば石英製であり、マニホールド２０９を貫通するようにマニホールド２０９に設けられている。ノズル２３０ｃは、少なくとも１本設けられており、ヒータ２０６と対向する領域より下方であってマニホールド２０９と対向する領域に設けられ、不活性ガスを処理室２０１内に供給するよう構成されている。ノズル２３０ｃは、ガス供給管２３２ｄに接続されている。このガス供給管２３２ｃは、流量制御器（流量制御手段）としてのマスフローコントローラ２４１ｃ及びバルブ３１０ｃを介して不活性ガスとして、例えば、窒素ガスを供給する不活性ガス源３００ｃに接続されている。この構成により、処理室２０１内へ供給する不活性ガス、例えば窒素ガスの供給流量、濃度、分圧を制御することができる。主に、不活性ガス源３００ｃ、バルブ３１０ｃ、マスフローコントローラ２４１ｃ、ガス供給管２３２ｃ、ノズル２３０ｃにより、ガス供給系としての不活性ガス供給系が構成される。
　バルブ３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、およびマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃには、ガス供給量制御部２３５が電気的に接続され、ガス供給量、ガス供給開始、ガス供給停止等を、所望のタイミングにて制御するように構成されている。
　尚、本実施形態では、ノズル２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃをマニホールド２０９と対向する領域に設けたが、これに限らず、例えば、少なくとも一部がヒータ２０６と対向する領域に設けて、シリコン含有ガスまたは塩素含有ガスまたは不活性ガスをウエハの処理領域にて供給できるようにしても良い。例えばＬ字型のノズルを１以上用いて、ガスを供給する位置をウエハの処理領域まで延在させることで、１以上の位置からガスをウエハ近傍で供給することができるようにしても良い。また、マニホールド２０９と対向する領域、又はヒータ２０６と対向する領域のいずれにおいても、ノズルを設けても良い。
　また本実施形態では、シリコン含有ガスとしてジシランガスを例示したが、これに限らず、例えば、シラン（ＳｉＨ４）ガスやトリシラン（Ｓｉ３Ｈ８）ガス等の高次シランガス等を用いても良く、またこれらを組み合わせて用いてもよい。
　また本実施形態では、塩素含有ガスとしてジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガスを例示したが、これに限らず、例えば、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）ガスやテトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）ガス等の塩化シラン類を用いても良く、また、塩素（Ｃｌ２）ガスや塩化水素（ＨＣｌ）ガスなどを用いても良く、またこれらを組み合わせて用いてもよい。
　また本実施形態では、不活性ガスとして窒素（Ｎ２）ガスを例示したが、これに限らず、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の希ガス等を用いても良く、また窒素ガスとこれらの希ガスとを組み合わせて用いても良い。
　マニホールド２０９には、処理室２０１内の雰囲気を排気する排気管２３１が設けられている。排気管２３１は、インナーチューブ２０４とアウターチューブ２０５との隙間によって形成される筒状空間２５０の下端部に配置されており、筒状空間２５０に連通している。排気管２３１のマニホールド２０９との接続側とは反対側である下流側には、圧力検出器としての圧力センサ２４５、および圧力調整装置２４２を介して、真空ポンプ等の真空排気装置２４６が接続されており、処理室２０１内の圧力が所定の圧力（真空度）となるよう真空排気し得るように構成されている。圧力調整装置２４２および圧力センサ２４５には、圧力制御部２３６が電気的に接続されている。圧力制御部２３６は、圧力センサ２４５により検出された圧力に基づいて、処理室２０１内の圧力が所望の圧力となるよう、圧力調整装置２４２を所望のタイミングにて制御するように構成されている。
　マニホールド２０９の下方には、マニホールド２０９の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ２１９が設けられている。シールキャップ２１９は、マニホールド２０９の下端に垂直方向下側から当接されるようになっている。シールキャップ２１９は、例えばステンレス等の金属で構成されており、円盤状に形成されている。シールキャップ２１９の上面には、マニホールド２０９の下端と当接するシール部材としてのＯリング２２０ｂが設けられる。シールキャップ２１９の処理室２０１と反対側には、ボート２１７を回転させる回転機構２５４が設置されている。回転機構２５４の回転軸２５５は、シールキャップ２１９を貫通して、後述するボート２１７に接続されており、ボート２１７を回転させることでウエハ２００を回転させるように構成されている。シールキャップ２１９は、プロセスチューブ２０３の外部に垂直に設備された昇降機構としてのボートエレベータ１１５によって垂直方向に昇降されるように構成されており、これによりボート２１７を処理室２０１内外に対し搬入搬出することが可能となっている。回転機構２５４及びボートエレベータ１１５には、駆動制御部２３７が電気的に接続されており、所望の動作をするよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。
　基板保持具としてのボート２１７は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料で構成されており、複数枚のウエハ２００を水平姿勢でかつ互いに中心を揃えた状態で整列させて多段に保持するように構成されている。なおボート２１７の下部には、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料で構成されており円板形状をした断熱部材としての断熱板２１６が、水平姿勢で多段に複数枚配置されており、ヒータ２０６からの熱がマニホールド２０９側に伝わりにくくなるよう構成されている。
　プロセスチューブ２０３内には、温度検出器としての温度センサ２６３が設置されている。ヒータ２０６と温度センサ２６３には、温度制御部２３８が電気的に接続されており、温度センサ２６３により検出された温度情報に基づきヒータ２０６への通電具合を調整することにより、処理室２０１内の温度が所望の温度分布となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。
　ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８は、操作部、入出力部をも構成し、基板処理装置全体を制御する主制御部２３９に電気的に接続されている。これら、ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８、主制御部２３９は、コントローラ２４０として構成されている。
　次に、上記構成に係る処理炉２０２を用いて、半導体装置の製造工程の一工程として、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学気相成長）法により、ウエハ２００上にシリコン膜を形成する方法について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ２４０により制御される。
　複数枚のウエハ２００がボート２１７に装填（ウエハチャージ）されると、図２に示されているように、複数枚のウエハ２００を保持したボート２１７は、ボートエレベータ１１５によって持ち上げられて処理室２０１内に搬入（ボートローディング）される。この状態で、シールキャップ２１９はＯリング２２０ｂを介してマニホールド２０９の下端をシールした状態となる。
　処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空排気装置２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１内の圧力は、圧力センサ２４５で測定され、この測定された圧力に基づき圧力調節器２４２によりフィードバック制御される。また、処理室２０１内が所望の温度となるように、ヒータ２０６によって加熱される。この際、処理室２０１内が所望の温度分布となるように、温度センサ２６３が検出した温度情報に基づきヒータ２０６への通電具合がフィードバック制御される。続いて、回転機構２５４により、ボート２１７が回転されることで、ウエハ２００が回転される。
　次いで、図２に示すように、処理ガスとして、例えばシリコン含有ガス供給源３００ａからシリコン含有ガスが供給される。ＭＦＣ２４１ａにて所望の流量となるように制御されたシリコン含有ガスは、ガス供給管２３２ａを流通してノズル２３０ａから処理室２０１内に導入される。導入されたシリコン含有ガスは処理室２０１内を上昇し、インナーチューブ２０４の上端開口から筒状空間２５０内に流出して、排気管２３１から排気される。シリコン含有ガスは、処理室２０１内を通過する際にウエハ２００の表面と接触し、この際に熱ＣＶＤ反応によってウエハ２００に膜、例えばシリコン膜が堆積（デポジション）される。
　予め設定された処理時間が経過すると、不活性ガス供給源３００ｃから不活性ガスがＭＦＣ２４１ｃにて所望の流量となるように制御されて供給され、処理室２０１内が不活性ガスに置換されるとともに、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される。
　その後、ボートエレベータ１１５によりシールキャップ２１９が下降されて、マニホールド２０９の下端が開口されるとともに、処理済ウエハ２００がボート２１７に保持された状態でマニホールド２０９の下端からプロセスチューブ２０３の外部に搬出（ボートアンローディング）される。その後、処理済ウエハ２００はボート２１７より取出される（ウエハディスチャージ）。
　次に本発明の第１実施形態における膜形成する方法について、さらに詳細に説明する。上述の半導体製造装置１０を用いて、半導体装置の製造工程の一工程として基板に以下のような手順で目的の膜を形成する。
　図４は、第１実施形態における各工程の基板の状態を示す模式図である。図４に示すように第１実施形態では、基板となるウエハ２００上に、塩素含有ガスとシリコン含有ガスとを供給して、所定の膜厚を有するシリコン膜が形成される。これにより、ウエハ表面に形成されるシリコン膜の面内分布を制御しながら、所定の膜厚のシリコン膜を形成することができる。詳細について以下に説明する。
　まず、各工程について以下に詳細に説明する。
＜核成長抑制工程＞
　本工程は、核(初期の基板上に存在する不純物、形成されるシリコン核など)の一部分の除去や成長の抑制をすることにより、局所的なシリコン成長を抑制する工程である。
　上記のようにウエハ２００上にシリコン核が形成された状態において、塩素含有ガスを所定の時間供給し、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）にて形成されたシリコン核の成長を抑制し、また、一部のシリコン核をウエハ２００上から離脱させて、シリコンの核の成長を制御する。
　なお、塩素含有ガスとして、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガスを例示したが、これに限らず、例えば、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）ガスやテトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）ガスを用いても良く、また、塩素（Ｃｌ２）ガスや塩化水素（ＨＣｌ）ガスなどを用いても良く、またこれらの組み合わせて用いてもよい。
　なお、一例まで、本実施形態の処理室２０１内にてウエハ２００を処理する際の処理条件、すなわち、ウエハ２００にジクロロシランガスによるシリコン核成長を制御する際の処理条件としては、
　処理温度：３００℃以上５００℃以下、
　処理圧力：１０Ｐａ以上１３３０Ｐａ以下、
　ジクロロシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下、
が例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することで、ウエハ２００上におけるシリコン核の成長を抑制できる。
＜核形成工程＞
　本工程は、基板上にシリコン核を形成させる工程である。上述の核成長抑制工程と核形成工程とを１サイクルとし、本サイクルを２サイクル以上繰り返すことで、基板上にシリコン核を敷き詰めるように核を形成させることができる。
　シリコン等で構成される基板としてのウエハ２００に、例えばアモルファスシリコン（非晶質シリコン、amorphous silicon）膜を形成する膜形成工程について説明する。図４(ａ)に示すように、処理室２０１内に少なくともシリコン含有ガスを所定の時間供給し、ウエハ２００上にシリコン核を形成させる。
　なお、シリコン含有ガスとして、シランガス（ＳｉＨ４ガス）、又はジシランガス（Ｓｉ２Ｈ６ガス）等が挙げられ、また、これらの組み合わせにて用いても良い。
　なお、一例まで、本実施形態の処理室２０１内にてウエハ２００を処理する際の処理条件、すなわち、ウエハ２００上にジシランガスによってシリコン核を形成する際の処理条件としては、
　処理温度：３００℃以上５００℃以下、
　処理圧力：１０Ｐａ以上１３３０Ｐａ以下、
　ジシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下、
が例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ２００上にシリコン核が形成される。
　核成長抑制工程の後で、基板上にシリコン核を形成させる工程である核形成工程を行うことにより、図４（ｃ）に示すように、新たにシリコン核が形成される。核成長抑制工程（図４（ｂ））と核形成工程（図４（ｃ））とを１サイクルとし、本サイクルを２サイクル以上繰り返すことにより、図４（ｄ）に示すように、ウエハ２００上にシリコン核が均一に形成され、形成されたシリコン核が成長されることで、ウエハ２００上にシリコン膜が形成される。
　ここで、上記のシリコン核の成長を制御するメカニズムについて説明する。
ウエハ２００上に形成されたシリコン核は、更にシリコン含有ガスが供給されることにより粗大化し、シリコン膜へ成長していく。しかし、シリコン核が粗大化してシリコン膜へと成長していく際には、初めに形成されたシリコン核がより早く成長を開始する一方で、シリコン核が形成されない他の部分には遅れてシリコン核が形成されるため、ウエハ２００上に形成されるシリコン核の大きさには差異が生じてしまう。シリコン核の大きさに差異が生じると、ウエハ２００上に形成されるシリコン膜の膜厚面内分布に差が生じてしまう。
　そこで本実施形態では、上記に示したように、まず１回目のシリコン含有ガスを所定時間供給した後、塩素含有ガスを供給することにより、１回目のシリコン含有ガスを供給した際にウエハ２００上に形成されたシリコン核の粗大化を遅らせる。その後、２回目以降のシリコン含有ガスを所定時間供給することで、１回目にシリコン核が形成されなかったウエハ２００上の所定の場所へシリコン核を形成させる。先に形成されたシリコン核の成長を抑制しつつ、新たなシリコン核の形成を行うことで、形成されるシリコン核の大きさを均一化させることができる。
　このように、シリコン核の成長抑制とシリコン核の核形成とを繰り返すことにより、ウエハ２００上に、均一にシリコン核を形成することができ、均一に形成されたシリコン核が制御されて成長することにより、形成されるシリコン膜は、膜厚面内均一性の良く形成することができる。
　好ましくはウエハ２００に、酸化シリコン膜が形成されていることが良く、ウエハ２００に形成されている酸化シリコン膜に対し、上述の方法で、アモルファスシリコン膜７１０が形成されることが望ましい。これにより、例えば、形成されるアモルファスシリコン膜７１０と酸化シリコン膜との密着性が高くなるので、形成する半導体装置の性能が劣化することを低減し、スループットが低下することを抑制することができる。
　また、好ましくは、核形成工程の前に、前処理を施すと良い。これにより、基板２００上に付着された不純物を除去することにより、該不純物によりシリコン核の成長を阻害されることなくシリコン膜を形成することができる。
　また、核成長抑制工程と核形成工程との間に、反応炉内を真空置換、若しくは、窒素ガス置換する工程を設けてもよい。これにより、それぞれの工程で供給されるガスを効率良く反応させることができる。
　尚、上述では、ＣＶＤ法による膜形成について説明したが、これに限らず、例えばＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、原子層成長）法を用いても良い。
　一連の処理完了後、処理ガスの供給を停止し、不活性ガス供給源から不活性ガスが供給され、処理室２０１内が不活性ガスで置換されると共に、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される。
　その後、昇降モータ１２２によりシールキャップ２１９が下降されて、マニホールド２０９の下端が開口されると共に、処理済ウエハ２００を保持したボート２１７をマニホールド２０９の下端から処理室２０１の外部に搬出（ボートアンローディング）し、ボート２１７に支持された全てのウエハ２００が冷えるまで、ボート２１７を所定位置で待機させる。待機させたボート２１７のウエハ２００が所定温度まで冷却されると、基板（ウエハ）移載機２８により、ボート２１７からウエハ２００を取り出し、ポッドオープナ２４にセットされている空のポッド１６に搬送して収容する。その後、ポッド搬送装置２０により、ウエハ２００が収容されたポッド１６を、ポッド棚２２、またはポッドステージ１８に搬送する。このようにして半導体製造装置１０の一連の作用が完了する。
　ここで、上記に記載の方法により成膜した結果について述べる。図５は、上記の方法により、形成したシリコン膜の成膜結果を示している。なお、表示されているサンプルデータは、核形成工程にかかる時間をX[sec.]としたときに、核成長抑制工程にかかる時間を0.4X、X、2X[sec.]としたときの結果である。図５の縦軸は、右側に各条件にて形成されたシリコン膜の膜厚値[Å]、左側にウエハの面内分布を示す面内偏差値[Å]を示し、図５の横軸は、「核成長抑制工程にかかる時間」を「核形成工程にかかる時間」で割った比[‐]で示す。なお、面内偏差値とは、測定されたウエハ上における最大膜厚値と最小膜厚値との差を示している。面内偏差値が小さくなることは、形成された膜がウエハ上に均一に形成されていることを示す。
　図５によれば、「核成長抑制工程にかかる時間」が「核形成工程にかかる時間」に対し相対的に長くなる、つまり図５における左側であるほど、徐々に成膜速度が小さくなることが分かる。また、「核成長抑制工程にかかる時間」が「核形成工程にかかる時間」よりも長くなるほど（図中の時間比が1.0を超えると）、面内偏差値も次第に大きくなることが分かる。これにより、「核成長抑制工程にかかる時間」と「核形成工程にかかる時間」との比が、0.4以上1以下であるとき、面内偏差値の小さいシリコン膜を形成できることが分かる。
　本実施形態によれば、以下に示す効果のうち少なくとも１つ以上の効果を奏する。
（１）膜厚の面内分布が良好なシリコン膜を形成することができる。
（２）（１）において、特に半導体製造工程に適用する際に、シリコンで構成される絶縁膜を均一に形成することができる。
（３）（１）において、核成長抑制工程にかかる時間は、核形成工程にかかる時間に対し、0.4倍以上１倍以下であることが好ましい。
（４）（１）において、特に高いアスペクト比（Aspect比）を有するトレンチ構造等に適用する際に、良好なステップカバレージ（Step Coverage）を得ることが出来る。
（５）良好な性能を有する半導体装置を安定して製造することができ、スループットを向上させることが出来る。
[第２実施形態]
　次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態の変形例であり、核成長抑制工程と核形成工程とを１サイクルとし、本サイクルを２サイクル以上繰り返した後、核成長工程を行う成膜方法である。詳細は以下に説明する。
　各工程について以下に詳細に説明する。
＜核成長抑制工程＞
　上記のようにウエハ２００上にシリコン核が形成された状態において、塩素含有ガスを所定の時間供給し、形成されたシリコンの核の成長を制御する。
　なお、塩素含有ガスとして、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガスを例示したが、これに限らず、例えば、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）ガスやテトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）ガスを用いても良く、また、塩素（Ｃｌ２）ガスや塩化水素（ＨＣｌ）ガスなどを用いても良く、またこれらの組み合わせて用いてもよい。
　なお、一例まで、本実施形態の処理室２０１内にてウエハ２００を処理する際の処理条件、すなわち、ウエハ２００にジクロロシランガスによるシリコン核成長を制御する際の処理条件としては、
　処理温度：３００℃以上５００℃以下、
　処理圧力：１０Ｐａ以上１３３０Ｐａ以下、
　ジクロロシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下、
が例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ２００上に形成されたシリコンの核の成長を抑制できる。
＜核形成工程＞
　シリコン等で構成される基板としてのウエハ２００上に、例えば、アモルファスシリコン（非晶質シリコン、amorphous silicon）膜７１０を形成する膜形成工程について説明する。本工程では、処理室２０１内に少なくともシリコン含有ガスを所定の時間供給し、ウエハ２００上にシリコンの核を形成させる。
　なお、シリコン含有ガスとして、シランガス（ＳｉＨ４ガス）、又はジシランガス（Ｓｉ２Ｈ６ガス）等が挙げられ、また、これらの組み合わせにて用いても良い。
　なお、一例まで、本実施形態の処理室２０１内にてウエハ２００を処理する際の処理条件、すなわち、ウエハ２００にジシランガスによるシリコン核を形成する際の処理条件としては、
　処理温度：３００℃以上５００℃以下、
　処理圧力：１０Ｐａ以上１３３０Ｐａ以下、
　ジシランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下、
が例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ２００上にシリコンの核が形成される。
＜核成長工程＞
　核成長工程とは、核成長抑制工程と核形成工程を１サイクルとし、本サイクルを２サイクル以上行った後に、基板上に敷き詰められたシリコン核を成長させる工程である。
　上記のようにウエハ２００上に均一にシリコン核が形成された状態において、シリコン含有ガスを所定の時間供給し、形成されたシリコンの核を成長させて、シリコン膜を形成する。
　なお、シリコン含有ガスとして、シランガス（ＳｉＨ４ガス）又は、ジシランガス（Ｓｉ２Ｈ６ガス）等が挙げられ、また、これらの組み合わせにて用いても良い。
　なお、一例まで、本実施形態の処理室２０１内にてウエハ２００を処理する際の処理条件、すなわち、ウエハ２００にシランガスによるシリコン核成長を制御する際の処理条件としては、
　処理温度：３００℃以上５００℃以下、
　処理圧力：１０Ｐａ以上１３３０Ｐａ以下、
　シランガス供給流量：１０ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下、
が例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ２００上に形成されたシリコン核が成長し、シリコン膜が形成される。
　これにより、ウエハ２００上に均一に形成されたシリコン核を効率良く成長させることができ、シリコン膜を形成することができる。
　本実施形態によれば、第１実施形態で述べた効果以外に、以下に示す効果のうち少なくとも１つ以上の効果を奏する
（１）シリコン核を効率良く成長させてシリコン膜を形成することができる。
（２）（１）において、原料ガスの消費を抑制することができる。
　尚、本発明はバッチ式装置に限らず枚葉式装置にも適用できる。
　なお、本発明はポリシリコン膜の形成に関して説明したが、その他のエピタキシャル膜及びＣＶＤ膜、例えば窒化シリコン膜等に関しても適用することができる。
半導体製造装置　１０
筐体　１２
ポッド　１６
ポッドステージ　１８
ポッド搬送装置　２０
ポッド棚　２２
ポッドオープナ　２４
基板枚数検知器　２６
基板移載機　２８
アーム　３２
ボートエレベータ　１１５
昇降モータ　１２２
ウエハ　２００
処理室　２０１
処理炉　２０２
プロセスチューブ　２０３
インナーチューブ　２０４
アウターチューブ　２０５
ヒータ　２０６
マニホールド　２０９
断熱板　２１６
ボート　２１７
シールキャップ　２１９
Ｏリング　２２０ａ、２２０ｂ
ノズル　２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ
排気管　２３１
ガス供給管　２３２
ガス流量制御部　２３５
圧力制御部　２３６
駆動制御部　２３７
温度制御部　２３８
主制御部　２３９
コントローラ　２４０
ＭＦＣ（マスフローコントローラ）　２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ
圧力調整装置　２４２
圧力センサ　２４５
真空排気装置　２４６
筒状空間　２５０
回転機構　２５４
回転軸　２５５
温度センサ　２６３
シリコン含有ガス供給源　３００ａ
塩素含有ガス供給源　３００ｂ
不活性ガス供給源　３００ｃ
バルブ（開閉装置）　３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ

Claims (4)

  1. 　塩素含有ガスを基板上に供給することにより基板上の核の成長を抑制し、局所的なシリコン成長を制御する核成長抑制工程と、
    　シリコン含有ガスを基板上に供給することにより基板上のシリコン核を形成する核形成工程と、を有し、
    　前記核成長抑制工程と前記核形成工程とを１サイクルとし、２サイクル以上繰り返してシリコン膜を形成し、
    　前記核成長抑制工程にかかる時間は、前記核形成工程にかかる時間以下である半導体装置の製造方法。
  2. 　基板を処理する処理室と、
    　前記処理室内に少なくとも塩素含有ガスを供給する塩素含有ガス供給系と、
    　前記処理室内に少なくともシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給系と、
    　前記シリコン含有ガス供給系が前記処理室内に少なくとも前記シリコン含有ガスを供給し前記塩素含有ガス供給系が前記処理室内に前記塩素含有ガスを供給し前記核の成長を抑制する核成長抑制工程と、前記基板に核を形成する核形成工程とからなり、前記核成長抑制工程と前記核形成工程とを１サイクルとし、本サイクルを２サイクル以上繰り返し、前記核成長抑制工程にかかる時間は、前記核形成工程にかかる時間以下に設定されてシリコン膜を形成するように制御するコントローラと、
    を有する基板処理装置。
  3. 　前記核成長抑制工程と前記核形成工程とを１サイクルとし、２サイクル以上繰り返した後、更に核形成工程を行う請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 　前記核成長抑制工程にかかる時間は、前記核形成工程にかかる時間の0.4倍以上１倍である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
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