(57)【要約】      （修正有）【課題】表面ラフネスの小さいポリシリコン膜を形成することができる半導体装置の製造方法及び成膜装置を提供する。【解決手段】Ｃｌを含むＢ源と、Ｈを含むＳｉ源を有する原料ガスを反応室内に供給して、半導体基板上にＢがドープされたポリシリコン膜を成長させる際に、前記原料ガスのうち、少なくともＢ源の供給と同時に塩化水素ガスを前記反応室内に供給する工程と、パージガスを前記反応室内に供給して、前記原料ガス及び前記塩化水素ガスを排出する工程と、を具備してなることを特徴とする半導体装置の製造方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｌを含むＢ源と、Ｈを含むＳｉ源を有する原料ガスを反応室内に供給して、半導体基板上にＢがドープされたポリシリコン膜を成長させる際に、前記原料ガスのうち、少なくともＢ源の供給と同時に塩化水素ガスを前記反応室内に供給する工程と、
パージガスを前記反応室内に供給して、前記原料ガス及び前記塩化水素ガスを排出する工程と、を具備してなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記原料ガス及び前記塩化水素ガスを前記反応室内に供給した後に、前記塩化水素ガスの供給を停止し、前記原料ガスの供給を継続して前記ポリシリコン膜を更に成長させる工程を有す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。
【請求項３】
前記原料ガスとして、前記Ｂ源及び前記Ｓｉ源を有する原料ガスを反応室内に供給して前記ポリシリコン膜を形成する際に、前記原料ガスの全ての供給開始と同時に前記塩化水素ガスを前記反応室内に供給す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。
【請求項４】
前記パージガスとしてＮ２ガスを用い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。
【請求項５】
前記Ｓｉ源としてＳｉＨ４ガスを用いるとともに、前記Ｂ源としてＢＣｌ３ガスを用い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。
【請求項６】
前記原料ガス及び前記塩化水素ガスを前記反応室内に供給する工程において、前記反応室内の温度を500℃以下とす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。
【請求項７】
内部に複数の半導体基板を設置する設置部を有する中空筒状のインナーチューブと、
前記インナーチューブを覆うアウターチューブと、
前記インナーチューブと前記アウターチューブの間にあって前記設置部に連通されたガス流路部と、を備えた反応室と、
前記設置部にＢを含有したポリシリコン膜用の原料ガス及びパージガスを供給するガス供給部と、
前記設置部の上流部に設置された塩化水素ガスの供給ノズルと、
前記ガス流路部の下流側に設置された排気部と、
前記アウターチューブの外側に設置された加熱ヒーターと、
少なくともＢ源の供給と同時に塩化水素ガスを前記反応室内に供給させる段階と、パージガスを前記反応室内に供給して前記原料ガス及び前記塩化水素ガスを排出する段階とを順次行わせる制御部と、を具備してなることを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の製造方法及び成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置の製造工程においては、ＣＶＤ法（化学気相成長法）によって、半導体基板上に薄膜を形成する方法が採用されている。このような薄膜形成工程の中の一つとしては、ＣＶＤ法によって、ポリシリコン膜をトランジスタのゲート電極やキャパシタの電極部分に形成する方法が試されている。
【０００３】
しかし、薄膜形成工程においては加熱処理が繰り返し行われるため、膜中不純物の拡散、金属材料の酸化、トランジスタ特性の劣化といった、半導体装置の微細化に伴った悪影響が顕著となってきている。
このような悪影響の発生の防止策としては、薄膜形成工程における、加熱処理温度の低温化が挙げられている。そのため、従来は630℃以上の処理温度で行われていたモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを使用したＬＰ-ＣＶＤ(Low Pressure−Chemical Vapor Deposition)法によるポリシリコン膜の形成については、現在は500℃以下の処理温度で行うことが求められている。
【０００４】
500℃以下の処理温度で、ポリシリコン膜を形成する方法としては、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスに三塩化ボロン（ＢＣｌ3）ガスを添加する方法が知られている（特許文献１）。そのうち、電気抵抗の低いボロンドープシリコン膜を形成する方法としてはトリメチルボロン、トリエチルボロンを用いる方法が知られている（特許文献２）。また、連続してポリシリコン膜の形成を行う方法としては、半導体装置を反応室に入れた状態と、反応室から半導体装置を取り出した後の状態両方で、パージを複数回行い、ＢＣｌ３ガスを強力にパージする方法が知られている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2003-178992号公報
【特許文献２】特開平7-230957号公報
【特許文献３】国際公開第2005/093799号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、このようなポリシリコン膜の形成においては、薄膜表面に表面ラフネス（表面粗さ）が生じるという問題が発生していた。この表面ラフネス（表面粗さ）が増加すると、ポリシリコン膜をドライエッチングで加工する際に、半導体基板の面内を均一な形状に制御することが困難となってしまう。そのため、ポリシリコン膜の形成においては、表面ラフネスをできるだけ低減することが求められる。
【０００７】
従来の処理温度である630℃以上の処理温度でポリシリコン膜を形成する場合は、ポリシリコン膜の堆積開始前に、下地層上に概略540℃以下の低温でアモルファスシリコン層を形成することにより、ポリシリコン膜の表面ラフネスを減少できることが知られている。これは、原料ガスを高い処理温度で供給することによって、アモルファスシリコン層を核とした結晶化が生じ、それにより、ポリシリコン膜の成長抑制及び結晶粒径の均一化がなされるためである。
【０００８】
これに対して、三塩化ボロン（ＢＣｌ3）ガスを添加して500℃以下の処理温度でポリシリコン膜を形成する場合は、前記方法と同様に下地層上にアモルファスシリコン層を形成する方法を行っても、ポリシリコン膜の表面ラフネスを低減することが困難であった。これは、低い処理温度でポリシリコン膜の形成を行うと、アモルファスシリコン層の存在が、かえってポリシリコンの結晶化を局所的かつ過剰に抑制してしまうためである。そのため、ポリシリコンの結晶核毎の成長速度差が顕著となって、結晶粒径のばらつきが拡大し、ポリシリコン膜の表面ラフネスが悪化する結果となってしまう。
【０００９】
このため、三塩化ボロン（ＢＣｌ3）ガスを用いて、低い処理温度でポリシリコン膜を形成する方法においては、表面ラフネスを減少させる手段が無い状態であった。そのため、ポリシリコン膜を形成した後の工程において、ポリシリコン膜を高い精度でパターニングすることができないという問題が生じていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、Ｃｌを含むＢ源と、Ｈを含むＳｉ源を有する原料ガスを反応室内に供給して、半導体基板上にＢがドープされたポリシリコン膜を成長させる際に、前記原料ガスのうち、少なくともＢ源の供給と同時に塩化水素ガスを前記反応室内に供給する工程と、パージガスを前記反応室内に供給して、前記原料ガス及び前記塩化水素ガスを排出する工程と、を具備してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ポリシリコン膜を成長させる際に、原料ガスと同時に塩化水素ガスを反応室内に供給することにより、半導体基板上にアモルファスシリコン層が成長することを抑制できる。これにより、ポリシリコンの結晶成長の局所的なばらつきを低減することができ、表面ラフネスの小さいポリシリコン膜を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第一の実施形態の成膜装置を示す断面模式図である。
【図２】本発明の第二の実施形態の半導体装置の製造方法におけるガス供給のタイミングチャートである。
【図３】本発明の第二の実施形態の半導体装置の製造方法における、ポリシリコン膜の形成による表面ラフネスの変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の第一の実施形態の成膜装置について、図面を参照して説明する。図１はポリシリコン膜の成膜に使用する、バッチ式縦型ホットウォールＬＰ−ＣＶＤ装置（成膜装置９）の断面模式図である。なお、これらの図は成膜装置９の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の成膜装置９の寸法関係とは異なる場合がある。
【００１４】
本実施形態の成膜装置９は、図１に示すように、インナーチューブ３と、ガス供給部である第一のインジェクション４及び第二のインジェクション４ａと、設置部であるウェハボート１の上流部に設置された塩化水素ガス供給ノズル１１と、アウターチューブ５と、その外側に設置された加熱ヒーター７と、から概略構成されている。
【００１５】
インナーチューブ３は石英ガラス製であり、一端３ａが開口され他端３ｂが板状の基板１３により閉塞された、中空円筒状の構造で形成されている。また、インナーチューブ３は、板状の基板１３の上面中央に配置され、その中空部は反応室８とされ、内部には設置部（ウェハボート１）が配置される。
【００１６】
ウェハボート１は、反応室８内の基板１３上に配置され、アウターチューブ５の外部に垂直に設置された、図示しないエレベータにて垂直方向に昇降されるようになっている。
また、ウェハボート１は、複数の半導体基板２を設置する設置部であり、その上には複数の半導体基板２とダミー半導体基板２aとが、所定の間隔で上下方向に並べて設置されている。半導体基板２は、ウェハボート１上に保持されて、インナーチューブ３内に導入される構成となっており、ポリシリコン膜の形成を連続して行う際は、そのつど交換される。ダミー半導体基板２aは、ウェハボート１の上下部分に設置され、ポリシリコン膜の形成を連続して行う際でもそのつど交換されず、複数回連続して使用される。
【００１７】
ガス供給部である第一のインジェクション４はインナーチューブ３内部に、原料ガス及びパージガス毎にガスを供給できるように、半導体基板２の位置に合わせてウェハボート１の高さ方向上部から下部にかけて、基板１３に対して垂直となる向きで設置されている。このように設置されることにより、第一のインジェクション４からウェハボート１の全面に対し、原料ガス及びパージガスを供給できる構成となっている。
第二のインジェクション４ａはインナーチューブ３内部に原料ガスと塩化水素ガス及びパージガスを供給できるように、ウェハボート１の底面付近に設置されている。また、第二のインジェクション４ａのみ、塩化水素ガスが供給されるように、後述する塩化水素ガス供給ノズル１１に接続されている。
【００１８】
第一の反応ガス供給管３０はウェハボート１の下部に設置され、第二のインジェクション４ａに接続された構成となっている。また、第一の反応ガス供給管３０は途中で四本の分岐管に分岐し、それら分岐管の上流側のそれぞれの終端に、塩化水素ガス供給ノズル１１、第一のＳｉＨ４ガス供給ノズル１４、第一のＢＣｌ３ガス供給ノズル１５、第一のＮ２ガス供給ノズル１６が設けられている。これにより、ＳｉＨ４ガス供給ノズル１４から供給されたＳｉＨ４ガスと、第一のＢＣｌ３ガス供給ノズル１５から供給されたＢＣｌ３ガス、及び、塩化水素ガス供給ノズル１１から供給された塩化水素ガスは、それぞれ分岐管を通った後に、第一の反応ガス供給管３０において混合され、ウェハボート１に供給される構成となっている。
【００１９】
第二の反応ガス供給管４０ａは、ウェハボート１の下部に複数設置され、それぞれ対応する第一のインジェクション４に接続された構成となっている。
第二、第三、第四及び第五のＳｉＨ４ガス供給ノズル２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａはウェハボート１の下部に設置され、それぞれ対応する第二の反応ガス供給管４０ａの、ガスを流す際の上流側の終端に設けられている。これにより、第二、第三、第四及び第五のＳｉＨ４ガス供給ノズル２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａから供給されたＳｉＨ４ガスは、第一のインジェクション４より、ウェハボート１に供給される構成となっている。
【００２０】
第一のＮ２ガス供給管３１ａはウェハボート１の下部に設置され、第二のＮ２ガス供給ノズル２０ａと第二の反応ガス供給管４０ａとを接続するように構成されている。また、第一のＮ２ガス供給管３１ａは途中から分岐して、下流側の分岐した終端が第二の反応ガス供給管４０ａに、それぞれ接続する構成となっている。
また、第二のＮ２ガス供給ノズル２０ａはウェハボート１の下部に設置され、第一のＮ２ガス供給管３１ａの、ガスを流す際の上流側の終端に設けられている。
【００２１】
第三の反応ガス供給管４０ｂは、ウェハボート１の下部に設置され、それぞれ対応する第一のインジェクション４に接続された構成となっている。
第二、第三、第四及び第五のＢＣｌ３ガス供給ノズル２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂはウェハボート１の下部に設置され、それぞれ対応する第三の反応ガス供給管４０ｂの、ガスを流す際の上流側の終端に設けられている。これにより、第二、第三、第四及び第五のＢＣｌ３ガス供給ノズル２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂから供給されたＢＣｌ３ガスは、第一のインジェクション４より、ウェハボート１に供給される構成となっている。
【００２２】
第二のＮ２ガス供給管３１ｂはウェハボート１の下部に設置され、第三のＮ２ガス供給ノズル２０ｂと第三の反応ガス供給管４０ｂとを接続するように構成されている。また、第二のＮ２ガス供給管３１ｂは途中から分岐して、下流側の分岐した終端が第三の反応ガス供給管４０ｂに、それぞれ接続する構成となっている。
また、第三のＮ２ガス供給ノズル２０ｂはウェハボート１の下部に設置され、第二のＮ２ガス供給管３１ｂの、ガスを流す際の上流側の終端に設けられている。
【００２３】
アウターチューブ５は石英ガラス製であり、一端５ａが板状の基板１３により閉塞され、他端５ｂが閉塞した中空円筒状の構造で、インナーチューブ３を覆うように形成されている。
【００２４】
ガス流路部１０は、インナーチューブ３とアウターチューブ５の間に、インナーチューブ３を囲むように設けられている。ガス流路部１０の上流部はウェハボート１に連通しており、また、ガス流路部１０の下流側の、アウターチューブ５の底面部には排気部６が設けられている。
排気部６は、原料ガスと塩化水素ガス及びパージガスが、陰圧となったアウターチューブ５の内側とガス流路部１０を経由して流動し、最終的に排気されるような構成となっている。また、排気部６から図示しない排気装置への接続の間には、圧力調整機構として図示しないスロットルバルブが反応室８内の圧力を制御し得るように形成されている。
【００２５】
加熱ヒーター７は、アウターチューブ５の外側を包囲するように設置されている。アウターチューブ５は加熱ヒーター７により、たとえば500℃に加熱される。
【００２６】
本実施形態の成膜装置９の動作は、例えばマイクロコンピューターよりなる制御部１２により制御される。図１に示す制御部１２は、ＳｉＨ４ガスとＢＣｌ３ガス及び塩化水素ガスを同時に反応室８内に供給して、半導体基板２上にポリシリコン膜を形成させる段階と、塩化水素ガスの供給を停止した後にＳｉＨ４ガスとＢＣｌ３ガスの供給を停止する段階と、Ｎ２ガスを反応室８内に供給させる段階と、を順次行わせるものである。
【００２７】
続いて、本発明の第二の実施形態である半導体装置の製造方法について、図２を参照にして説明する。本実施形態の半導体装置の製造方法は、反応室８内にパージガスを供給する工程と、半導体基板２をインナーチューブ３に挿入する工程と、Ｓｉ源とＢ源を有する原料ガス及び塩化水素ガスを反応室８内に供給する工程と、塩化水素ガスのみ先に供給を停止した後に原料ガスの供給を停止する工程と、反応室８内の残留物をパージする工程と、から概略構成されている。以下、各工程について順次説明する。
【００２８】
＜反応室８内にパージガスを供給する工程＞
まず、図２のＳＴＡＲＴの時点から、第一のインジェクション４より、反応室８内へパージガスの供給を開始し、反応室８内をパージする。このとき、パージガスとしてはＮ２ガスを用いる。また、パージガスの供給量は6000sccmとする。
このとき、パージガス供給と同時に半導体基板２を図示しないロードロックチャンバーからウェハボート１に静置しておく。半導体基板２はウェハボート１に、所定の間隔で上下方向に並べて設置し、ウェハボート１の上下端にはダミー半導体基板２aを設置するとよい。
【００２９】
＜半導体基板２をインナーチューブ３内に挿入する工程＞
パージガスの供給開始から約１時間後（Ｔ１）、半導体基板２が静置されたウェハボート１を、インナーチューブ３内に挿入する。その後、反応室８内の温度が例えば500℃に安定するまで、パージガスの供給を継続し、反応室８内の残留物を排気する。このとき、反応室８内の温度は500度以下となるようにする。
【００３０】
＜原料ガス及び塩化水素ガスを反応室８内に供給する工程＞
Ｔ１から１時間３０分後(Ｔ２）より、パージガスの供給を徐々に低減させ、Ｔ２から約１分後（Ｔ３）、パージガスの供給を完全に停止させる。次いで、このパージガスの供給停止と同時に、反応室８内へ、原料ガスであるＳｉＨ４ガスを1500sccm、ＢＣｌ３ガスを300sccm、塩化水素ガスを20〜50sccm程度の流量で供給開始する。
このとき、反応室８内に供給されたＳｉＨ４ガス及びＢＣｌ３ガスは、複数の半導体基板２同士の隙間を通り、陰圧となったガス流路部１０を経由して排気部６に向かって流動する。この際、ＳｉＨ４ガス及びＢＣｌ３ガスが反応して、ポリシリコン（Ｓｉ)とボロン(Ｂ)と塩化水素(ＨＣｌ)を生成する（反応式：３ＳｉＨ４＋４ＢＣｌ３→３Ｓｉ＋４Ｂ＋１２ＨＣｌ）。このうち塩化水素(ＨＣｌ)は揮発するため、半導体基板２上にボロンがドープされたポリシリコン膜が成長する。
【００３１】
このＳｉＨ４ガス及びＢＣｌ３ガスを反応室８内に供給する工程においては、意図的にアモルファスシリコン膜を形成するステップを設けない場合においても、ポリシリコン膜と同時にアモルファスシリコン膜が副生成物として成長してしまう。本発明では、ＳｉＨ４ガス及びＢＣｌ３ガス供給に際して、塩化水素ガスを同時に供給することにより、アモルファスシリコン膜は塩化水素ガスによりエッチングされる。その結果、副生成物となるアモルファスシリコン膜の成長を抑制することができる。
【００３２】
＜塩化水素ガスの供給を停止した後に原料ガスの供給を停止する工程＞
ＳｉＨ４ガスとＢＣｌ３ガス及び塩化水素ガスの供給開始（Ｔ３）から約１０分後（Ｔ４）、塩化水素ガスの供給を停止する。この理由は、ポリシリコン膜が初期成長した後は、ポリシリコン膜の成長は、アモルファスシリコンの存在によって阻害されなくなるためである。そのため、塩化水素ガスの浪費防止を目的として、塩化水素ガスの供給時間を、ポリシリコン膜の形成段階の初期１０分間のみに限定する。
次いで、塩化水素ガスの供給停止（Ｔ４）から約１５分後（Ｔ５）、ＳｉＨ４ガス及びＢＣｌ３ガスの供給量を徐々に低減させるとともに、パージガス（Ｎ２ガス）の供給を開始する。
【００３３】
＜反応室８内の残留物をパージする工程＞
Ｔ５から約４分後（Ｔ６）、ＳｉＨ４ガス及びＢＣｌ３ガスの供給を完全に停止して、約6000sccmの流量でパージガス（窒素ガス）を供給する。このパージガス（Ｎ２ガス）の供給により、反応室８内の残留物を排出させる。
その後（Ｔ７）、パージガスの供給を停止すれば、ポリシリコン膜の形成処理が終了する。
【００３４】
図３に、第二の実施形態によってポリシリコン膜を形成したときの表面ラフネスを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）で測定した結果を示す。
図３の縦軸は、半導体基板２上のポリシリコン膜面内における表面ラフネス（最大高低差：Ｒｍａｘ）、横軸は塩化水素ガスの供給量を示す。また、従来の製造方法は塩化水素ガスの流量０の場合に該当する。
【００３５】
図３に示すとおり、塩化水素ガスを供給しない場合の表面ラフネスは36.3nmであるが、塩化水素ガスの供給量を増加させるとともに表面ラフネスは低減し、塩化水素ガスを20〜50sccm供給することにより、表面ラフネスは約30％低減して25〜26nmとなる。これより、ポリシリコン膜形成工程の初期段階に塩化水素ガスを供給することによって、表面ラフネスの改善がなされることは明らかである。
また、反応室８内の圧力を上げて、塩化水素ガスの分圧を増加させることにより、エッチング反応が促進され、更に表面ラフネスを低減することが可能となる。
【００３６】
本実施形態で示した、各ガスの流量や時間設定は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。なお、ガスの流量や時間（Ｔ１〜Ｔ７）の設定は一例であり、これらも変更が可能である。
【００３７】
本実施形態によれば、ポリシリコン膜を成長させる際に、ＳｉＨ４ガス及びＢＣｌ３ガスと同時に塩化水素ガスを反応室８内に供給することにより、半導体基板２上にアモルファスシリコン層が成長することを抑制できる。これにより、ポリシリコンの結晶成長の局所的なばらつきを低減することができ、表面ラフネスの小さいポリシリコン膜を形成することが可能となる。
また、ポリシリコン膜形成の初期段階にのみ、塩化水素ガスを反応室８内に供給することにより、塩化水素ガスの浪費を防ぎつつ、表面ラフネスの小さいポリシリコン膜を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、表面ラフネスの少ないポリシリコン膜を有する半導体装置の製造方法に関するものであって、半導体装置を製造・利用する産業において利用可能性がある。
【符号の説明】
【００３９】
１…ウェハボート、２…半導体基板、３…インナーチューブ、５…アウターチューブ、４…第一のインジェクション、４ａ…第二のインジェクション、６…排気部、７…加熱ヒーター、８…反応室、９…成膜装置、１０…ガス流路部、１１…塩化水素ガス供給ノズル、１２…制御部
【図１】
2011035192.tif 000003
【図２】
2011035192.tif 000004
【図３】
2011035192.tif 000005