(57)【要約】    【課題】  半導体製造装置に於ける不純物の原子層成長及び原子層ドーピングに関して、原子レベルでの制御性を向上し、又高濃度ドーピングを可能とするものである。    【解決手段】  Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０〜１）表面を有する基板を処理室に搬入する工程と、少なくとも前記Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０〜１）表面に不純物がドーピングされたエピタキシャル膜を成長させる工程とを有し、該エピタキシャル膜を成長させる工程は、不純物の成長とエピタキシャル膜の成長工程とを交互に所要数繰返す工程を含み、前記ドーピングは、少なくとも所要の不純物を含むドーピングガスとキャリアガスとを前記処理室に供給する工程であり、前記成長工程は少なくとも、シリコンを含むガスを前記処理室に供給する工程である。    【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０〜１）表面を有する基板を処理室に搬入する工程と、少なくとも前記Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０〜１）表面に不純物がドーピングされたエピタキシャル膜を成長させる工程とを有し、該エピタキシャル膜を成長させる工程は、不純物の成長とエピタキシャル膜の成長工程とを交互に所要数繰返す工程を含み、前記ドーピングは、少なくとも所要の不純物を含むドーピングガスとキャリアガスとを前記処理室に供給する工程であり、前記成長工程は少なくとも、シリコンを含むガスを前記処理室に供給する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
処理室に収納された基板の少なくともＳｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０〜１）表面に不純物層を成長させる層生成制御方法であって、成長させる不純物原子及びＣｌ原子を少なくとも含むドーピングガスと、キャリアガスとを少なくとも前記処理室に供給し、前記表面に前記不純物層を成長させる際、前記キャリアガスの種類を変えることで、前記表面に成長させる前記不純物層の表面密度を制御することを特徴とする層生成制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体製造装置により、半導体装置を製造する半導体装置の製造方法、及び製造工程に於ける層生成制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置を製造する１工程として、不純物の拡散層を形成する工程があり、又近年の高密度集積化に対応して、原子層レベルでの拡散層の形成が要求され、不純物の原子ドーピングを実現するには、ＩＶ族原子半導体の表面に形成したＳｉ１−ｘＧｅｘ等の表面層に成長させる不純物を原子レベルで制御する必要がある。
【０００３】
従来、不純物としての硼素（Ｂ）の原子層の成長、及び原子層ドーピングを行うのにＢ２Ｈ６ガスが用いられていた。
【０００４】
Ｂ２Ｈ６ガスが使用される場合、Ｂ２Ｈ６の供給温度が３００℃以上であると、Ｂ２Ｈ６は気相反応が著しい為、Ｓｉ表面に於いて、Ｂの原子層成長はＢ２Ｈ６の分圧に比例して増加し、飽和傾向は認められない。又、Ｂ２Ｈ６供給時間にも比例してＢの原子層が成長する為、成長を制御することは難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は斯かる実情に鑑み、半導体製造装置、例えばホットウォール型ＣＶＤ装置を用い、Ｂの原子層成長及び原子層ドーピングに関して、原子レベルでの制御性を向上し、又高濃度ドーピングを可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０〜１）表面を有する基板を処理室に搬入する工程と、少なくとも前記Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０〜１）表面に不純物がドーピングされたエピタキシャル膜を成長させる工程とを有し、該エピタキシャル膜を成長させる工程は、不純物の成長とエピタキシャル膜の成長工程とを交互に所要数繰返す工程を含み、前記ドーピングは、少なくとも所要の不純物を含むドーピングガスとキャリアガスとを前記処理室に供給する工程であり、前記成長工程は少なくとも、シリコンを含むガスを前記処理室に供給する工程である半導体装置の製造方法に係るものである。
【０００７】
又本発明は、処理室に収納された基板の少なくともＳｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０〜１）表面に不純物層を成長させる層生成制御方法であって、成長させる不純物原子及びＣｌ原子を少なくとも含むドーピングガスと、キャリアガスとを少なくとも前記処理室に供給し、前記表面に前記不純物層を成長させる際、前記キャリアガスの種類を変えることで、前記表面に成長させる前記不純物層の表面密度を制御する層生成制御方法に係るものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０〜１）表面を有する基板を処理室に搬入する工程と、少なくとも前記Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０〜１）表面に不純物がドーピングされたエピタキシャル膜を成長させる工程とを有し、該エピタキシャル膜を成長させる工程は、不純物の成長とエピタキシャル膜の成長工程とを交互に所要数繰返す工程を含み、前記ドーピングは、少なくとも所要の不純物を含むドーピングガスとキャリアガスとを前記処理室に供給する工程であり、前記成長工程は少なくとも、シリコンを含むガスを前記処理室に供給する工程であるので、原子レベルでの制御性を向上させ、又高濃度のドーピングを実現できる。
【０００９】
又本発明によれば、処理室に収納された基板の少なくともＳｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０〜１）表面に不純物層を成長させる層生成制御方法であって、成長させる不純物原子及びＣｌ原子を少なくとも含むドーピングガスと、キャリアガスとを少なくとも前記処理室に供給し、前記表面に前記不純物層を成長させる際、前記キャリアガスの種類を変えることで、前記表面に成長させる前記不純物層の表面密度を制御するので、所望の状態に不純物の原子層成長が制御できるという優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。
【００１１】
先ず、本発明が実施される半導体製造装置、例えばバッチ処理式の縦型減圧ＣＶＤ装置について、図１、図２を参照して説明する。
【００１２】
半導体製造装置は筐体を有し、該筐体上部に上方に突出する処理炉を具備し、前記筐体内部に基板搬送機構を具備している。
【００１３】
図１は、処理炉１と基板搬送機構の一部を示しており、図中筐体は省略している。
【００１４】
前記処理炉１は円筒状の反応管３と円筒状の加熱手段であるヒータ４を具備し、該ヒータ４は前記反応管３の周囲を覆い該反応管３と同心に設けられている。
【００１５】
該反応管３の下端開口部は炉口部５を形成し、該炉口部５は炉口ゲートバルブ６によって開閉される様になっている。
【００１６】
前記反応管３は処理室７を画成し、該処理室７にはガス供給系８、排気系９が連通され、前記ガス供給系８からは処理ガス或はパージガスが供給され、前記排気系９からは反応後のガスが排気される様になっている。
【００１７】
前記反応管３の下方には基板搬送機構の一部であり、又昇降手段であるボートエレベータ１１が配設され、該ボートエレベータ１１はアーム１２を介して基板保持具であるボート１３を垂直状態に支持し、前記アーム１２を介して前記ボート１３を昇降させることで、前記処理室７に装入、装脱可能となっている。尚、前記ボート１３の下部には該ボート１３が前記処理室７に装入された状態で、前記炉口部５からの放熱を抑制する為の断熱板１０が所要枚数装填されている。
【００１８】
前記ボート１３は基板、例えばシリコンウェーハ１４が水平姿勢で多段に所要枚数（１バッチ分の枚数）保持される様になっている。ウェーハ１４は、搬送容器であるカセット１５に収納された状態で筐体内に搬入される。
【００１９】
前記ボートエレベータ１１に対向して基板搬送機構の一部である基板移載機１６が配設され、該基板移載機１６は前記カセット１５と降下状態の前記ボート１３との間でウェーハ１４を移載する。前記ボート１３降下状態では、前記炉口部５は前記炉口ゲートバルブ６によって閉塞される。
【００２０】
尚、前記ボートエレベータ１１、前記基板移載機１６等の基板搬送機構、前記ガス供給系８、前記排気系９は制御部１７によって制御される様になっている。
【００２１】
ウェーハ１４の処理は、前記炉口ゲートバルブ６が開かれ、前記ボート１３が前記処理室７に装入され、前記ヒータ４により加熱された状態で前記ガス供給系８より処理ガスが供給されつつ前記排気系９より排気され、所要の処理がなされる。
【００２２】
前記処理炉１について図２により具体的に説明する。
【００２３】
図２に示す処理炉１は、前記反応管３が内部に内管２１、該内管２１を収納する外管２２を具備する２重管構造となっており、前記反応管３は金属製の炉口フランジ２３に立設されている。
【００２４】
該炉口フランジ２３は、反応管支持部材、例えば前記処理炉１に気密に連設されたロードロック室等の天井部２４に気密に設けられている。前記外管２２は前記炉口フランジ２３の上端に気密に立設され、前記内管２１は前記炉口フランジ２３の内フランジ２５に立設されている。
【００２５】
前記ガス供給系８のガス導入配管２６は、前記内管２１の内部に連通する様に設けられ、前記排気系９の排気管２７は前記内管２１と前記外管２２によって形成される円筒状の空間２８に連通する様に設けられている。
【００２６】
前記ヒータ４は、該ヒータ４の軸心方向に沿って所要数のヒータユニット２９に分割（図示では５分割）され、各ヒータユニット２９は前記処理室７の加熱をゾーン制御できる様に前記制御部１７により独立して電力の供給が制御される。
【００２７】
前記アーム１２には前記炉口部５を気密に閉塞する炉口蓋であるシールキャップ３１が設けられ、該シールキャップ３１にはボート回転装置３２が設けられており、該ボート回転装置３２の回転軸３３は前記シールキャップ３１を貫通して上方に突出している。前記回転軸３３の上端に、ボート受台３４が設けられ、該ボート受台３４に前記ボート１３が載置される様になっている。
【００２８】
前記ボート回転装置３２は前記制御部１７によって制御され、ウェーハ１４の処理中前記ボート回転装置３２を介して前記ボート１３を所要の定速で回転する様になっている。
【００２９】
以下、基板処理の概略について説明する。
【００３０】
ウェーハ１４は前記カセット１５に収納された状態で筐体（図示せず）内に搬入され、前記基板移載機１６により降下状態の前記ボート１３に１バッチ分が移載される。前記炉口ゲートバルブ６が開かれ、前記炉口部５が開放され、前記ボートエレベータ１１によって前記ボート１３が上昇され、前記処理室７に装入される。
【００３１】
前記シールキャップ３１によって前記炉口部５が気密に閉塞された状態で、前記ヒータ４により前記処理室７、ウェーハ１４が加熱され、前記ガス供給系８により処理ガスが前記処理室７に供給されつつ、前記排気系９により排気され、前記処理室７が所定の処理圧に維持された状態で基板に処理がなされる。
【００３２】
基板処理が完了すると、前記ガス供給系８により不活性ガスによるガスパージがなされ、前記ボートエレベータ１１により前記ボート１３が降下され、所定の温度迄冷却された後、前記基板移載機１６により前記カセット１５に払出される。
【００３３】
処理済のウェーハ１４が収納された前記カセット１５は図示しない搬送機構によって半導体製造装置外部に搬送される。
【００３４】
又、前記ボート１３には未処理のウェーハ１４が移載され、基板処理が繰返される。
【００３５】
次に、基板処理が、硼素（Ｂ）ドーピング、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０〜１）エピタキシャルである場合について説明する。
【００３６】
処理される基板としては、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（１００）が用いられ、該基板が前記ボート１３に装填され、前記処理室７に装入される場合、該処理室７の温度は２００℃以下の雰囲気となる様に設定される。前記ボート１３装入後、前記排気系９により減圧され、その後、前記ガス供給系８により水素ガスが供給される。
【００３７】
水素雰囲気で７００℃迄昇温され、３０分間の水素ベイキングが行われ、基板表面のクリーニングが行われる。
【００３８】
水素ベイキング後、ＢＣｌ３ガス供給温度である３００℃〜６００℃迄降温し、キャリアガスをＨ２とし、或はＡｒに切換え、供給ガス中のＢＣｌ３分圧が５×１０−４Ｐａ〜２×１０−２ＰａでＢＣｌ３ガスを供給し、基板表面にＢを所要の厚み、例えば略１原子層、或は１原子層以下の厚みに成長させる。
【００３９】
次に、Ｂ成長表面に４５０℃〜５５０℃の処理温度で、Ｓｉを含む処理ガス例えば、ＳｉＨ４−ＧｅＨ４−Ｈ２混合ガスを供給して、Ｓｉ１−ｘＧｅｘを所要の厚み、例えば数ナノメートルから数百ナノメートルの厚みにエピタキシャル成長させる。
【００４０】
而して、Ｂの成長工程とＳｉ１−ｘＧｅｘエピタキシャル成長工程とを所要の厚み、例えば数ナノから数百ナノの厚みになる様に１回以上繰返し、高濃度ドーピング膜を成膜する。
【００４１】
図３は、Ｂ成長温度４５０℃、ＢＣｌ３分圧７×１０−３Ｐａ、ＢＣｌ３供給時間３０分、キャリアガスにＨ２を使用した場合の、Ｂ原子面密度のＧｅ比率依存性を示す。基板にＧｅが導入されることにより、Ｂの成長が促進しており、Ｇｅ比率０．３以上では即ち、Ｓｉ１−ｘＧｅｘに於いてｘ≧０．３の時、Ｇｅ比率に依存せずＢが成長することが分る。
【００４２】
図４〜図６に、Ｂ成長温度４５０℃、ＢＣｌ３分圧７×１０−３、ＢＣｌ３供給時間１５〜１２０分、キャリアガスにＨ２又はＡｒ、基板にＳｉ１−ｘＧｅｘ（１００）（ｘ＝０，０．３，１の場合）を用いた場合のＢとＣｌの原子密度を示している。
【００４３】
図４に示される様に、Ｓｉ基板表面（ｘ＝０の場合であって、Ｓｉ基板表面上を意味する）では、キャリアガスによらず基板表面の吸着サイトにＣｌが吸着しＳｉ−Ｃｌが安定に存在できる為、Ｂの成長が抑制されている。
【００４４】
又、図５、図６に示される様に、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ表面（ｘ＝０．３又は１の場合であって、それぞれはＧｅ比率０．３のＳｉＧｅ基板表面上と、Ｇｅ基板表面上を意味する）に於いて、キャリアガスＨ２の場合、ＢはＢＣｌ３の供給時間の増加と共に１原子層（６．８×１０１４ｃｍ−２）を超えて増加する傾向にあるが、Ｂ２Ｈ６に比べ反応性が低い為、制御性がよくＢは約１原子層で制御が可能である。又、Ｃｌは、検出限界以下である。
【００４５】
キャリアガスＡｒの場合、基板表面の吸着サイトにＣｌが吸着し、Ｓｉ−Ｃｌ又はＧｅ−Ｃｌが形成される為、基板表面をＣｌが覆い、Ｂは約１／３〜１／２原子層（２．３×１０１４ｃｍ−２）で飽和する傾向にある。Ｓｉ１−ｘＧｅｘ表面のＣｌの吸着により、Ｂは１原子層以下で制御が可能である。又、Ｓｉ基板表面での、Ｂの成長は５００℃で１原子層以下の成長を確認した。
【００４６】
尚、上記した様に本発明の一例としてＢ成長温度４５０℃、ＢＣｌ３分圧７×１０−３Ｐａの場合を示したが、Ｂ成長温度３００℃〜６００℃、ＢＣｌ３分圧５×１０−４Ｐａ〜２×１０−２Ｐａの範囲でＢの成長を確認した。
【００４７】
又、キャリアガスとしてＨ２を用いた場合、Ｈ２のＣｌを除去する効果により、Ｂを１原子層で制御が可能となり、又キャリアガスとしてＡｒを用いた場合、ＡｒのＣｌを除去する効果が小さい為、残存Ｃｌ成分によりＢを１／３〜１／２原子層で制御が可能である。
【００４８】
尚、キャリアガスとしてＨｅやＮ２を用いてもＡｒと同様な効果が得られる。つまり、Ｃｌとの反応度の異なるキャリアガスを用いることで、Ｂの原子層の成長を制御できる。
【００４９】
ＢＣｌ３を供給し、Ｂの原子層を成長させた後、Ｈ２によりベイキングすることで、Ｃｌを脱離することができる。
【００５０】
Ｂ成長温度４５０℃、ＢＣｌ３分圧７×１０−３Ｐａ、ＢＣｌ３供給時間３０分、キャリアガスＡｒとして、Ｂの原子層を成長させた後、Ｈ２ベイキングした場合のＣｌを脱離させる効果についての一例を、図７により示す。
【００５１】
又、Ａｒベイキングした場合の一例を、図８に示す。
【００５２】
図７は、Ｈ２ベイキングの条件としては、Ｈ２圧力６０Ｐａ、４５０℃〜５００℃、１５分から６０分間のＨ２ベイキングした後のＢとＣｌの原子面密度を示している。
【００５３】
図８は、Ａｒベイキング条件としては、Ａｒ圧力６０Ｐａ、４５０℃、３０分〜６０分間のＡｒベイキングした後のＢとＣｌの原子面密度を示している。
【００５４】
Ｂ成長後のＨ２ベイキングにより、Ｂは安定に基板表面に存在できるが、４５０℃ではＳｉ１−ｘＧｅｘ表面のＣｌはＨ２ベイキング時間の増大と共に減少する傾向にある。又、５００℃では、３０分間のＨ２ベイキングでＣｌは検出限界以下迄減少した。Ｓｉ１−ｘＧｅｘ表面の表面に吸着したＣｌは、Ｈ２ベイキングにより脱離が起り、Ｃｌフリーなドーピングが可能である。尚、Ａｒベイキングでは、Ｈ２ベイキングよりもＣｌを除去する効果が小さいことが分る。
【００５５】
更に、４００℃以上、３０Ｐａ以上のＨ２ベイキングをＢＣｌ３供給後に行うことでＣｌの脱離を確認している。
【００５６】
本発明では、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ表面のＢ原子層生成に対し、ＢＣｌ３を用いることにより制御性が向上する。更に、キャリアガスＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２を用いれば、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ表面へのＣｌの吸着により、Ｂの原子層成長を１原子以下に制御することができる。
【００５７】
ＢＣｌ３の供給によりＢの原子層を成長させた後、Ｈ２ベイキングを行うことより、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ表面からＣｌ脱離をさせ、Ｃｌの除去を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明が実施される半導体製造装置の一例である縦型減圧ＣＶＤ装置の要部概略図である。
【図２】該縦型減圧ＣＶＤ装置に用いられる処理炉の概略図である。
【図３】Ｂ成長温度４５０℃、ＢＣｌ３  分圧７×１０−３Ｐａ、ＢＣｌ３供給時間３０分、キャリアガスにＨ２を使用した際のＢ原子面密度のＧｅ比率依存性を示す図である。
【図４】Ｂ成長温度４５０℃、ＢＣｌ３分圧７×１０−３Ｐａ、ＢＣｌ３供給時間１５〜１２０分、キャリアガスにＨ２若しくはＡｒを使用し、基板にＳｉ１−ｘＧｅｘ（１００）（ｘ＝０）を用いた場合のＢとＣｌの原子面密度を示す図である。
【図５】Ｂ成長温度４５０℃、ＢＣｌ３分圧７×１０−３Ｐａ、ＢＣｌ３供給時間１５〜１２０分、キャリアガスにＨ２若しくはＡｒを使用し、基板にＳｉ１−ｘＧｅｘ（１００）（ｘ＝０．３）を用いた場合のＢとＣｌの原子面密度を示す図である。
【図６】Ｂ成長温度４５０℃、ＢＣｌ３分圧７×１０−３Ｐａ、ＢＣｌ３供給時間１５〜１２０分、キャリアガスにＨ２若しくはＡｒを使用し、基板にＳｉ１−ｘＧｅｘ（１００）（ｘ＝１）を用いた場合のＢとＣｌの原子面密度を示す図である。
【図７】Ｂ成長温度４５０℃、ＢＣｌ３分圧７×１０−３Ｐａ、ＢＣｌ３供給時間３０分、キャリアガスにＡｒを用いてＢを成長させ、その後Ｈ２ベイクを行った際のＢとＣｌの原子面密度を示す図である。
【図８】Ｂ成長温度４５０℃、ＢＣｌ３分圧７×１０−３Ｐａ、ＢＣｌ３供給時間３０分、キャリアガスにＡｒを用いてＢを成長させ、その後Ａｒベイクを行った際のＢとＣｌの原子面密度を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１              処理炉
３              反応管
８              ガス供給系
９              排気系
１１            ボートエレベータ
１３            ボート
１４            ウェーハ
１６            基板移載機
【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】
2008053605.tif 000007
【図６】
2008053605.tif 000008
【図７】
2008053605.tif 000009
【図８】
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