(57)【要約】【課題】エッチング後の表面ラフネスの悪化を抑制することが可能なシリコン膜の形成方法およびその形成装置を提供する。【解決手段】表面に溝が形成された被処理体の溝にシリコン膜を形成するシリコン膜の形成方法において、被処理体の溝を埋め込むように不純物を含むシリコン膜を成膜する第１成膜工程の後、第１成膜工程で成膜されたシリコン膜をエッチングする工程の前に第１成膜工程で成膜されたシリコン膜の表面近傍に不純物をドープするドーピング工程と、を備える。このドーピング工程を備えることにより、エッチング後のシリコン膜の表面ラフネスの悪化を抑制することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に溝が形成された被処理体の前記溝にシリコン膜を形成するシリコン膜の形成方法であって、
前記被処理体の前記溝を埋め込むように不純物を含むシリコン膜を成膜する第１成膜工程と、
前記第１成膜工程で成膜されたシリコン膜の表面近傍に前記不純物をドープするドーピング工程と、
前記第１成膜工程で成膜されたシリコン膜をエッチングして前記溝の開口部を広げるエッチング工程と、
前記エッチング工程で開口部が広げられた溝にシリコン膜を埋め込むように成膜する第２成膜工程と、
を備える、ことを特徴とするシリコン膜の形成方法。
【請求項２】
前記不純物はリンであることを特徴とする請求項１に記載のシリコン膜の形成方法。
【請求項３】
前記エッチング工程では、エッチングガスとして塩素を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコン膜の形成方法。
【請求項４】
表面に溝が形成された被処理体の前記溝にシリコン膜を形成するシリコン膜の形成装置であって、
前記被処理体の前記溝を埋め込むように不純物を含むシリコン膜を成膜する第１成膜手段と、
前記第１成膜手段により成膜されたシリコン膜の表面近傍に前記不純物をドープするドーピング手段と、
前記第１成膜手段により成膜されたシリコン膜をエッチングして前記溝の開口部を広げるエッチング手段と、
前記エッチング手段により開口部が広げられた溝にシリコン膜を埋め込むように成膜する第２成膜手段と、
を備える、ことを特徴とするシリコン膜の形成装置。
【請求項５】
前記不純物はリンであることを特徴とする請求項４に記載のシリコン膜の形成装置。
【請求項６】
前記エッチング手段は、エッチングガスとして塩素を用いることを特徴とする請求項４又は５に記載のシリコン膜の形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン膜の形成方法およびその形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置等の製造プロセスでは、シリコン基板上の層間絶縁膜にトレンチ、ホール形状の溝（例えば、コンタクトホール又はラインアンドスペース）を形成し、ポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜、不純物でドープされたポリシリコン膜及びアモルファスシリコン膜等のシリコン膜（Ｓｉ膜）を埋め込んで電極を形成する工程がある。
【０００３】
このような工程では、例えば、特許文献１に示すように、シリコン基板上の層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法でポリシリコン膜の成膜と、そのポリシリコン膜の僅かなエッチングの後に再度ポリシリコン膜を成膜する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３２１５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、シリコン膜を成膜後、エッチングする工程でシリコン膜の表面ラフネスが悪化すると、良好にシリコン膜を埋め込むことができず、Ｓｉ膜の電極としての特性が劣化してしまうおそれがある。また、この問題は、特にリン（Ｐ）がドープされたシリコン膜を用いる場合に顕著に生ずる。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、良好にシリコン膜を埋め込むことが可能なシリコン膜の形成方法およびその形成装置を提供することを目的とする。また、本発明は、エッチング後の表面ラフネスの悪化を抑制することが可能なシリコン膜の形成方法およびその形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかるシリコン膜の形成方法は、
表面に溝が形成された被処理体の前記溝にシリコン膜を形成するシリコン膜の形成方法であって、
前記被処理体の前記溝を埋め込むように不純物を含むシリコン膜を成膜する第１成膜工程と、
前記第１成膜工程で成膜されたシリコン膜の表面近傍に前記不純物をドープするドーピング工程と、
前記第１成膜工程で成膜されたシリコン膜をエッチングして前記溝の開口部を広げるエッチング工程と、
前記エッチング工程で開口部が広げられた溝にシリコン膜を埋め込むように成膜する第２成膜工程と、
を備える、ことを特徴とする。
【０００８】
前記不純物は、例えば、リンである。
前記エッチング工程では、エッチングガスとして、例えば、塩素を用いる。
【０００９】
本発明の第２の観点にかかるシリコン膜の形成装置は、
表面に溝が形成された被処理体の前記溝にシリコン膜を形成するシリコン膜の形成装置であって、
前記被処理体の前記溝を埋め込むように不純物を含むシリコン膜を成膜する第１成膜手段と、
前記第１成膜手段により成膜されたシリコン膜の表面近傍に前記不純物をドープするドーピング手段と、
前記第１成膜手段で成膜されたシリコン膜をエッチングして前記溝の開口部を広げるエッチング手段と、
前記エッチング手段で開口部が広げられた溝にシリコン膜を埋め込むように成膜する第２成膜手段と、
を備える、ことを特徴とする。
【００１０】
前記不純物は、例えば、リンである。
前記エッチング手段は、エッチングガスとして、例えば、塩素を用いる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、良好にエッチング後の表面ラフネスの悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態の熱処理装置を示す図である。
【図２】図１の制御部の構成を示す図である。
【図３】本実施の形態のシリコン膜の形成方法を説明するレシピを示した図である。
【図４】本実施の形態のシリコン膜の形成方法を説明するための図である。
【図５】ドーピング工程を行わない場合のシリコン膜の形成方法を説明するための図である。
【図６】本実施の形態のシリコン膜の形成方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明のシリコン膜の形成方法およびその形成装置について説明する。本実施の形態では、シリコン膜の形成装置として、図１に示すバッチ式の縦型の熱処理装置を用いた場合を例に説明する。
【００１４】
図１に示すように、熱処理装置１は、長手方向が垂直方向に向けられた略円筒状の反応管２を備えている。反応管２は、内管３と、内管３を覆うとともに内管３と一定の間隔を有するように形成された有天井の外管４とから構成された二重管構造を有する。内管３及び外管４は、耐熱及び耐腐食性に優れた材料、例えば、石英により形成されている。
【００１５】
外管４の下方には、筒状に形成されたステンレス鋼（ＳＵＳ）からなるマニホールド５が配置されている。マニホールド５は、外管４の下端と気密に接続されている。また、内管３は、マニホールド５の内壁から突出するとともに、マニホールド５と一体に形成された支持リング６に支持されている。
【００１６】
マニホールド５の下方には蓋体７が配置され、ボートエレベータ８により蓋体７は上下動可能に構成されている。そして、ボートエレベータ８により蓋体７が上昇すると、マニホールド５の下方側（炉口部分）が閉鎖され、ボートエレベータ８により蓋体７が下降すると、マニホールド５の下方側（炉口部分）が開口される。
【００１７】
蓋体７には、例えば、石英からなるウエハボート９が載置されている。ウエハボート９は、被処理体、例えば、半導体ウエハ１０が垂直方向に所定の間隔をおいて複数枚収容可能に構成されている。
【００１８】
反応管２の周囲には、反応管２を取り囲むように断熱体１１が設けられている。断熱体１１の内壁面には、例えば、抵抗発熱体からなる昇温用ヒータ１２が設けられている。この昇温用ヒータ１２により反応管２の内部が所定の温度に加熱され、この結果、半導体ウエハ１０が所定の温度に加熱される。
【００１９】
マニホールド５の側面には、複数の処理ガス導入管１３が挿通（接続）されている。なお、図１では処理ガス導入管１３を１つだけ描いている。処理ガス導入管１３は、内管３内を臨むように配設されている。例えば、図１に示すように、処理ガス導入管１３は、支持リング６より下方（内管３の下方）のマニホールド５の側面に挿通されている。
【００２０】
処理ガス導入管１３は、図示しないマスフローコントローラ等を介して、図示しない処理ガス供給源が接続されている。このため、処理ガス供給源から処理ガス導入管１３を介して所望量の処理ガスが反応管２内に供給される。処理ガス導入管１３から供給される処理ガスとして、不純物でドープされたポリシリコン膜及びアモルファスシリコン膜等のシリコン膜（Ｓｉ膜）を成膜する成膜用ガスがある。成膜用ガスとしては、シリコンソースとして、例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）等が用いられ、不純物をドープするため、例えば、ホスフィン（ＰＨ３）を用いる。
【００２１】
また、本発明のシリコン膜の形成方法では、後述するように、半導体ウエハ１０の表面に形成された溝に第１成膜工程でＳｉ膜が埋め込まれた後、エッチング工程で埋め込まれた溝の開口部が広げられ、第２成膜工程で開口部が広げられた溝にＳｉ膜が埋め込まれる。このため、処理ガス導入管１３から供給される処理ガスとして、エッチングガスがある。エッチングガスとしては、例えば、塩素（Ｃｌ２）が用いられる。
【００２２】
マニホールド５の側面には反応管２内のガスを排気するための排気口１４が設けられている。排気口１４は支持リング６より上方に設けられており、反応管２内の内管３と外管４との間に形成された空間に連通する。そして、内管３で発生した排ガス等が内管３と外管４との間の空間を通って排気口１４に排気される。
【００２３】
マニホールド５の側面の排気口１４の下方には、パージガス供給管１５が挿通されている。パージガス供給管１５には、図示しないパージガス供給源が接続されており、パージガス供給源からパージガス供給管１５を介して所望量のパージガス、例えば、窒素ガスが反応管２内に供給される。
【００２４】
排気口１４には排気管１６が気密に接続されている。排気管１６には、その上流側から、バルブ１７と、真空ポンプ１８とが介設されている。バルブ１７は、排気管１６の開度を調整して、反応管２内の圧力を所定の圧力に制御する。真空ポンプ１８は、排気管１６を介して反応管２内のガスを排気するとともに、反応管２内の圧力を調整する。
【００２５】
なお、排気管１６には、図示しないトラップ、スクラバー等が介設されており、反応管２から排気された排ガスを、無害化した後、熱処理装置１外に排気するように構成されている。
【００２６】
また、熱処理装置１は、装置各部の制御を行う制御部１００を備えている。図２に制御部１００の構成を示す。図２に示すように、制御部１００には、操作パネル１２１、温度センサ（群）１２２、圧力計（群）１２３、ヒータコントローラ１２４、ＭＦＣ（Mass Flow Controller）制御部１２５、バルブ制御部１２６等が接続されている。
【００２７】
操作パネル１２１は、表示画面と操作ボタンとを備え、オペレータの操作指示を制御部１００に伝え、また、制御部１００からの様々な情報を表示画面に表示する。
【００２８】
温度センサ（群）１２２は、反応管２内、処理ガス導入管１３内、排気管１６内等の各部の温度を測定し、その測定値を制御部１００に通知する。
圧力計（群）１２３は、反応管２内、処理ガス導入管１３内、排気管１６内等の各部の圧力を測定し、その測定値を制御部１００に通知する。
【００２９】
ヒータコントローラ１２４は、昇温用ヒータ１２を個別に制御するためのものであり、制御部１００からの指示に応答して、これらに通電してこれらを加熱し、また、これらの消費電力を個別に測定して、制御部１００に通知する。
【００３０】
ＭＦＣ制御部１２５は、処理ガス導入管１３、及び、パージガス供給管１５に設けられた図示しないマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を制御して、これらに流れるガスの流量を制御部１００から指示された量にするとともに、実際に流れたガスの流量を測定して、制御部１００に通知する。
【００３１】
バルブ制御部１２６は、各管に配置されたバルブの開度を制御部１００から指示された値に制御する。
【００３２】
制御部１００は、レシピ記憶部１１１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１３と、Ｉ／Ｏポート（Input/Output Port）１１４と、ＣＰＵ（Central Processing Unit)１１５と、これらを相互に接続するバス１１６とから構成されている。
【００３３】
レシピ記憶部１１１には、セットアップ用レシピと複数のプロセス用レシピとが記憶されている。熱処理装置１の製造当初は、セットアップ用レシピのみが格納される。セットアップ用レシピは、各熱処理装置に応じた熱モデル等を生成する際に実行されるものである。プロセス用レシピは、ユーザが実際に行う熱処理（プロセス）毎に用意されるレシピであり、例えば、反応管２への半導体ウエハ１０のロードから、処理済みの半導体ウエハ１０をアンロードするまでの、各部の温度の変化、反応管２内の圧力変化、処理ガスの供給の開始及び停止のタイミングと供給量などを規定する。
【００３４】
ＲＯＭ１１２は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ハードディスクなどから構成され、ＣＰＵ１１５の動作プログラム等を記憶する記録媒体である。
ＲＡＭ１１３は、ＣＰＵ１１５のワークエリアなどとして機能する。
【００３５】
Ｉ／Ｏポート１１４は、操作パネル１２１、温度センサ１２２、圧力計１２３、ヒータコントローラ１２４、ＭＦＣ制御部１２５、バルブ制御部１２６等に接続され、データや信号の入出力を制御する。
【００３６】
ＣＰＵ１１５は、制御部１００の中枢を構成し、ＲＯＭ１１２に記憶された制御プログラムを実行し、操作パネル１２１からの指示に従って、レシピ記憶部１１１に記憶されているレシピ（プロセス用レシピ）に沿って、熱処理装置１の動作を制御する。すなわち、ＣＰＵ１１５は、温度センサ（群）１２２、圧力計（群）１２３、ＭＦＣ制御部１２５等に反応管２内、処理ガス導入管１３内、及び、排気管１６内の各部の温度、圧力、流量等を測定させ、この測定データに基づいて、ヒータコントローラ１２４、ＭＦＣ制御部１２５、バルブ制御部１２６等に制御信号等を出力し、上記各部がプロセス用レシピに従うように制御する。
バス１１６は、各部の間で情報を伝達する。
【００３７】
次に、以上のように構成された熱処理装置１を用いたシリコン膜の形成方法について説明する。なお、以下の説明において、熱処理装置１を構成する各部の動作は、制御部１００（ＣＰＵ１１５）により制御されている。また、各処理における反応管２内の温度、圧力、ガスの流量等は、前述のように、制御部１００（ＣＰＵ１１５）がヒータコントローラ１２４（昇温用ヒータ１２）、ＭＦＣ制御部１２５、バルブ制御部１２６等を制御することにより、例えば、図３に示すようなレシピに従った条件に設定される。
【００３８】
また、本実施の形態では、被処理体としての半導体ウエハ１０には、図４（ａ）に示すように、基板５１上に絶縁膜５２が形成されており、半導体ウエハ１０の表面にはコンタクトホールを形成するための溝５３が形成されている。本発明のシリコン膜の形成方法は、この半導体ウエハ１０の表面に形成された溝５３を埋め込むように、不純物でドープされたポリシリコン膜及びアモルファスシリコン膜等のシリコン膜（Ｓｉ膜）を成膜する第１成膜工程と、不純物を含むガスを用いて不純物をドープするドーピング工程と、成膜されたＳｉ膜をエッチングして溝５３の開口部を広げるエッチング工程と、エッチング工程で開口部が広げられた溝５３にＳｉ膜を埋め込むように成膜する第２成膜工程と、を備えている。以下、これらの工程を含むシリコン膜の形成方法について説明する。
【００３９】
まず、反応管２（内管３）内を所定の温度、例えば、図３（ａ）に示すように、３００℃に設定する。また、図３（ｃ）に示すように、パージガス供給管１５から内管３（反応管２）内に所定量の窒素（Ｎ２）を供給する。次に、図４（ａ）に示す半導体ウエハ１０が収容されているウエハボート９を蓋体７上に載置する。そして、ボートエレベータ８により蓋体７を上昇させ、半導体ウエハ１０（ウエハボート９）を反応管２内にロードする（ロード工程）。
【００４０】
続いて、図３（ｃ）に示すように、パージガス供給管１５から内管３内に所定量の窒素を供給するとともに、反応管２内を所定の温度、例えば、図３（ａ）に示すように、５００℃に設定する。また、反応管２内のガスを排出し、反応管２を所定の圧力、例えば、図３（ｂ）に示すように、２６６Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）にする。そして、反応管２内をこの温度及び圧力で安定させる（安定化工程）。
【００４１】
ここで、反応管２内の温度は、４５０℃〜７００℃であることが好ましく、４９０℃〜６５０℃であることがさらに好ましい。また、反応管２内の圧力は、  １３．３Ｐａ〜６６６Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ〜５Ｔｏｒｒ）であることが好ましい。反応管２内の温度及び圧力をかかる範囲にすることにより、Ｓｉ膜をより均一に成膜することができるためである。
【００４２】
反応管２内が所定の圧力および温度で安定すると、パージガス供給管１５からの窒素の供給を停止する。そして、図３（ｄ）及び（ｅ）に示すように、処理ガス導入管１３から反応管２内に所定量の成膜用ガス、例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）とホスフィン（ＰＨ３）とを供給する（第１成膜工程）。この第１成膜工程により、図４（ｂ）に示すように、半導体ウエハ１０の絶縁膜５２上、及び、溝５３内に不純物がドープされたＳｉ膜５４が形成される。また、第１成膜工程後のＳｉ膜５４の不純物濃度は、例えば３×１０２０ｃｍ−３程度である。
【００４３】
また、第１成膜工程では、溝５３の開口部を有するように、半導体ウエハ１０の絶縁膜５２上、及び、溝５３内にＳｉ膜５４を形成することが好ましい。すなわち、第１成膜工程では、溝５３を完全に埋めるようにＳｉ膜５４を形成するのではなく、溝５３が開口部を有するようにＳｉ膜５４を形成することが好ましい。これにより、第１成膜工程で溝５３内のボイドが発生することを防止することができる。
【００４４】
半導体ウエハ１０に所定量のＳｉ膜が形成されると、処理ガス導入管１３からの成膜用ガスの供給を停止する。次に、図３（ｃ）に示すように、パージガス供給管１５から内管３内に所定量の窒素を供給するとともに、反応管２内を所定の温度、例えば、図３（ａ）に示すように、５００℃に設定する。また、反応管２内のガスを排出し、反応管２を所定の圧力、例えば、図３（ｂ）に示すように、６６６Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）にする。そして、反応管２内をこの温度及び圧力で安定させる（パージ・安定化工程）。
【００４５】
次に、図３（ｅ）に示すように反応管２内にＰＨ３を供給するとともに、反応管２内を所定の圧力および温度で安定させ、不純物をドープさせる（ドーピング工程）。ここで、反応管２内の温度は、Ｓｉ膜５４としてアモルファスシリコン膜を用いる場合は、アモルファスシリコンが結晶化しない温度とすることが好ましく、例えば５００℃とする。また、圧力は、例えば１３．３Ｐａ〜５３ｋＰａ（０．１Ｔｏｒｒ〜４００Ｔｏｒｒ）とするのが好ましい。この不純物を含むガスであるＰＨ３を用いて、ガスフェイスドープを行うことにより、Ｓｉ膜５４の表面近傍のエッチング工程でエッチング除去される領域に不純物であるリン（Ｐ）が付加的にドープされる。このドーピング工程後のＳｉ膜５４の表面近傍の不純物濃度は、例えば３×１０２１ｃｍ−３程度である。
【００４６】
本実施の形態では、このようにエッチング工程の前にドーピング工程を設けることにより、エッチング工程の後のＳｉ膜の表面ラフネスの悪化を抑制することができる。
【００４７】
例えば、第１成膜工程後のＳｉ膜５４の表面近傍のみに着目すると、図５（ａ）に模式的に示すように、Ｓｉ膜５４の表面は局所的には不純物濃度のばらつきがある。不純物がドープされているＳｉ膜は、不純物がドープされていないＳｉ膜と比較してエッチングレートが数倍高いため、不純物濃度にばらつきがある状態でエッチング工程を行うと、図５（ｂ）のように、エッチングがより早く進む部分と遅く進む部分とが生じ、Ｓｉ膜５４の表面に凹凸が生じやすくなり、表面ラフネスが悪化すると考えられる。
【００４８】
一方、本実施の形態のようにドーピング工程を設け、図６（ａ）の状態のＳｉ膜５４の表面近傍に付加的に不純物Ｐをドープさせると、図６（ｂ）に示すようにＳｉ膜５４の表面近傍における不純物濃度のばらつきを抑制することができる。これにより図６（ｃ）に示すようにエッチングレートの進み具合の差を縮め、Ｓｉ膜５４の表面に凹凸が生ずるのを抑制し、表面ラフネスの悪化を抑制することが可能となる。
【００４９】
Ｓｉ膜５４中に所定量の不純物Ｐをドープした後、処理ガス導入管１３からの不純物を含むガスの供給を停止する。次に、図３（ｃ）に示すように、パージガス供給管１５から内管３内に所定量の窒素を供給するとともに、反応管２内を所定の温度、例えば、図３（ａ）に示すように、２７５℃に設定する。また、反応管２内のガスを排出し、反応管２を所定の圧力、例えば、図３（ｂ）に示すように、４００Ｐａ（３Ｔｏｒｒ）にする。そして、反応管２内をこの温度及び圧力で安定させる（パージ・安定化工程）。なお、反応管２内のガスを確実に排出するために、反応管２内のガスの排出及び窒素ガスの供給を複数回繰り返すことが好ましい。
【００５０】
ここで、反応管２内の温度は、１００℃〜５５０℃であることが好ましい。１００℃より低いと後述するエッチング工程においてＳｉ膜５４をエッチングできないおそれがあり、５５０℃より高いとＳｉ膜５４のエッチング制御が困難となるおそれがあるためである。反応管２内の圧力は、１３．３Ｐａ〜１３．３ｋＰａ（０．１Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒ）であることが好ましい。
【００５１】
次に、反応管２内を所定の圧力および温度で安定させ、図３（ｃ）に示すように、パージガス供給管１５から内管３内に所定量の窒素を供給するとともに、図３（ｆ）に示すように、処理ガス導入管１３から反応管２内に所定量のエッチング用ガス、例えば、塩素（Ｃｌ２）を供給する（エッチング工程）。このエッチング工程により、図４（ｃ）に示すように、半導体ウエハ１０の溝５３に形成されたＳｉ膜５４がエッチングされる。前述のように、Ｓｉ膜５４の表面近傍には不純物が付加的にドープされているため、表面ラフネスを悪化させることなくエッチングが可能である。
【００５２】
また、このエッチング工程では、第１成膜工程で形成されたＳｉ膜５４を溝５３の開口部が広がるようにエッチングする。すなわち、図４（ｃ）に示すように、溝５３の開口部に形成されたＳｉ膜５４のエッチング量を多くするとともに、溝５３の底部付近に形成されたＳｉ膜５４のエッチング量を少なくする。これにより、後述する第２成膜工程で溝５３の底部付近にＳｉ膜５４を形成しやすくなる。
【００５３】
また、エッチング工程では、反応管２内の温度を２５０℃〜３００℃にすることが好ましい。また、反応管２内の圧力を４００Ｐａ（３Ｔｏｒｒ）にすることが好ましい。反応管２内の温度及び圧力をかかる範囲にすることにより、エッチング均一性を良好にすることができる。
【００５４】
所望のＳｉ膜５４がエッチングされると、処理ガス導入管１３からのエッチング用ガスの供給を停止する。次に、図３（ｃ）に示すように、パージガス供給管１５から内管３内に所定量の窒素を供給するとともに、反応管２内を所定の温度、例えば、図３（ａ）に示すように、５００℃に設定する。また、反応管２内のガスを排出し、反応管２を所定の圧力、例えば、図３（ｂ）に示すように、２６６Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）にする。そして、反応管２内をこの温度及び圧力で安定させる（パージ・安定化工程）。なお、反応管２内のガスを確実に排出するために、反応管２内のガスの排出及び窒素ガスの供給を複数回繰り返すことが好ましい。
【００５５】
反応管２内が所定の圧力および温度で安定すると、パージガス供給管１５からの窒素の供給を停止する。そして、図３（ｄ）及び図３（ｅ）に示すように、処理ガス導入管１３から反応管２内に所定量の成膜用ガス、例えば、ＳｉＨ４とＰＨ３とを供給する（第２成膜工程）。この第２成膜工程により、図４（ｄ）に示すように、半導体ウエハ１０の溝５３内にＳｉ膜５４が形成される。
【００５６】
ここで、本実施の形態では、エッチング工程の前にドーピング工程を設けているため、Ｓｉ膜５４の表面ラフネスは良好な状態にある。このため、溝５３へのＳｉ膜５４埋め込み時に、溝５３内にボイドが発生することを抑制することができる。加えて、エッチング工程により第１成膜工程で形成されたＳｉ膜５４を溝５３の開口部が広がるようにエッチングしているので、更に溝５３の底部付近にＳｉ膜５４を形成しやすくなり、ボイドの発生を更に抑制することができる。
【００５７】
所望のＳｉ膜５４が形成されると、処理ガス導入管１３からの成膜用ガスの供給を停止する。次に、図３（ｃ）に示すように、パージガス供給管１５から内管３内に所定量の窒素を供給するとともに、反応管２内を所定の温度、例えば、図３（ａ）に示すように、３００℃に設定する。また、反応管２内のガスを排出し、反応管２を常圧に戻す（パージ工程）。なお、反応管２内のガスを確実に排出するために、反応管２内のガスの排出及び窒素ガスの供給を複数回繰り返すことが好ましい。そして、ボートエレベータ８により蓋体７を下降させることにより、半導体ウエハ１０（ウエハボート９）を反応管２内からアンロードする（アンロード工程）。これにより、シリコン膜の形成が終了する。
【００５８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、半導体ウエハ１０の表面に形成された溝５３が開口部を有するようにＳｉ膜５４を成膜する第１成膜工程後に、ドーピング工程を行うことにより、溝５３の開口部を広げるようにＳｉ膜５４をエッチングするエッチング工程後のＳｉ膜５４表面のラフネスの悪化を抑制することができる。これにより、再度溝５３にＳｉ膜５４を埋め込むように成膜する第２成膜工程において、溝５３内にボイドが発生することを抑制し、良好にＳｉ膜５４を埋め込むことが可能となる。
【００５９】
なお、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な他の実施の形態について説明する。
【００６０】
上記実施の形態では、不純物を含むガスとしてＰＨ３を用いる場合を例に挙げているが、これに限られず、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）等を用いてもよい。また、上記実施の形態では、エッチングガスとして、Ｃｌ２を用いた場合を例に本発明を説明したが、第１成膜工程で形成されたＳｉ膜をエッチング可能なガスであればよく、フッ素（Ｆ２）、三フッ化塩素（ＣｌＦ３）などの他のハロゲンガスを用いてもよい。また、上記実施の形態では、成膜用ガスのシリコンソースとしてＳｉＨ４を用いた場合を例に本発明を説明したが、他のガスを用いてもよい。
【００６１】
また、上記実施の形態では、Ｓｉ膜の表面近傍のみに付加的に不純物をドーピングする構成を例に挙げているが、これに限られない。少なくともエッチングによって除去される領域にドーピングすることができれば、その他エッチングされない領域にもドーピング工程において付加的に不純物がドープされてもよい。
【００６２】
上記実施の形態では、主に第１成膜工程、エッチング工程、第２成膜工程を備えるシリコン膜の形成方法を例に挙げて説明したが、これに限られない。例えば、Ｐ等の不純物がドープされたシリコン膜をエッチバックする際、上記の実施形態と同様に不純物濃度のばらつきによって、エッチングの進みに差が生じ、オーバーエッチングをしないとエッチング残渣が残る可能性がある。この場合も、エッチバックを行う前、もしくはエッチバックの途中で、本実施の形態のように不純物を含むガスでドーピングを行うことにより、不純物濃度のばらつきを抑制してエッチングの進みの差を縮めることにより、過剰にエッチングせずとも、エッチング残渣を生じさせずにエッチバックが可能となる。
【００６３】
また、上記実施の形態では、第１成膜工程、エッチング工程、及び、第２成膜工程を実施した場合を例に本発明を説明したが、例えば、第１成膜工程後に、エッチング工程、及び、第２成膜工程を複数回繰り返し実施してもよい。
【００６４】
上記実施の形態では、第１成膜工程で溝５３の開口部を有するように、半導体ウエハ１０の絶縁膜５２上、及び、溝５３内にＳｉ膜５４を形成する場合を例に本発明を説明したが、第１成膜工程で溝５３が開口部を有しないようにＳｉ膜５４を成膜してもよい。この場合、エッチング工程で溝５３が開口部を有するようにＳｉ膜５４をエッチングすることにより、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６５】
上記実施の形態では、熱処理装置として、二重管構造のバッチ式縦型熱処理装置を用いた場合を例に本発明を説明したが、例えば、本発明を単管構造のバッチ式熱処理装置に適用することも可能である。
【００６６】
本発明の実施の形態にかかる制御部１００は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、汎用コンピュータに、上述の処理を実行するためのプログラムを格納した記録媒体（フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）など）から当該プログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行する制御部１００を構成することができる。
【００６７】
そして、これらのプログラムを供給するための手段は任意である。上述のように所定の記録媒体を介して供給できる他、例えば、通信回線、通信ネットワーク、通信システムなどを介して供給してもよい。この場合、例えば、通信ネットワークの掲示板（ＢＢＳ：Bulletin Board System）に当該プログラムを掲示し、これをネットワークを介して搬送波に重畳して提供してもよい。そして、このように提供されたプログラムを起動し、ＯＳ（Operating System）の制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、上述の処理を実行することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、シリコン膜の形成方法およびその形成装置に有用である。
【符号の説明】
【００６９】
１  熱処理装置
２  反応管
３  内管
４  外管
５  マニホールド
６  支持リング
７  蓋体
８  ボートエレベータ
９  ウエハボート 
１０  半導体ウエハ
１１  断熱体
１２  昇温用ヒータ
１３  処理ガス導入管
１４  排気口
１５  パージガス供給管
１６  排気管
１７  バルブ
１８  真空ポンプ
５１  基板
５２  絶縁膜
５３  溝
５４  Ｓｉ膜
１００  制御部
１１１  レシピ記憶部
１１２  ＲＯＭ
１１３  ＲＡＭ
１１４  Ｉ／Ｏポート
１１５  ＣＰＵ
１１６  バス
１２１  操作パネル
１２２  温度センサ
１２３  圧力計
１２４  ヒータコントローラ
１２５  ＭＦＣ制御部
１２６  バルブ制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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