(57)【要約】【課題】被処理膜への燐のドーピングにおいてパーティクルの発生を低減する。【解決手段】基板処理装置において、第１ガス供給系３は、ヒータ２によるアニール処理によって被処理膜へ燐をドープするためにウエハＷに対して燐を含むＰＨ３ガスを供給する。第２ガス供給系４は、ドープによって被処理膜の表面に吸着した燐を酸化させるためにウエハＷに対して酸素ガスを供給する。燐の酸化物（Ｐ２Ｏ３）は燐よりも低い温度で昇華する。このようにして、ボート６をアンロードする前に、反応管１内で被処理膜表面の燐を意図的に酸化させて予め除去する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理膜に対して燐を含む処理ガスを供給することにより、前記被処理膜へ燐をドープするドーピング工程と、
前記ドーピング工程の後に、前記被処理膜に対して酸素を含むガスを供給する酸素パージ工程と、を有する半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理体に不純物をドープする工程を有する半導体装置の製造方法と、その方法の実施に使用する基板処理装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜やポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜等の被処理膜に燐（Ｐ）をドープする方法としてＰＨ３アニール処理がある。ＰＨ３アニール処理は、概ね次のようにして行われる。まず複数のウエハが搭載されたボートを反応炉にロードする。その後、反応炉内を昇温して所定の加熱温度に保つと共に、該反応炉内にＰＨ３ガスを導入する。これにより、各ウエハ上の被処理膜中に燐が熱拡散する。その後、反応炉を不活性ガスでパージし、ボートをアンロードする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにしてＰＨ３アニール処理を行うと、ボートを反応炉からアンロードするときにパーティクルが発生する。また発明者の研究によれば、そのパーティクル数は、処理済みウエハを大気中に放置する時間が長いほど増加することも判明した。その為、ボートをアンロードした後、一定の時間以内に次工程を行う必要があり、結果として工程設計の自由度を低下させる等の問題を生じることになる。
【０００４】
本発明の目的は、被処理膜への燐のドーピングにおいて、パーティクルの発生を低減させることにある。本発明の目的は、被処理膜へ燐をドープした後において、該被処理膜に発生するパーティクルの時間的増加を抑制することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明者は、パーティクル発生のメカニズムを次の如くと考えた。まず反応炉からボートをアンロードするときに、各被処理膜の表面に吸着している燐と、大気中の酸素とが反応して五酸化燐（Ｐ２Ｏ５）が生成される。Ｐ２Ｏ５には水分を吸収し易い性質があるから、このＰ２Ｏ５が大気中の水分を吸収してクラスタ化する。つまり、ウエハの面内において隣り合うＰ２Ｏ５分子どうしが結合してゆき次第に巨大化する。そして、それらＰ２Ｏ５がパーティクルとして現れるのである。
【０００６】
従って仮に、ボートをアンロードする時点において、酸化対象である燐が被処理膜の表面に存在していないならば、Ｐ２Ｏ５の発生を回避できると考えられる。これは、反応炉内で被処理膜に燐（ドーパント）をドープするドーピング工程の後に、このドーピング工程で前記被処理膜の表面に吸着した燐（ドーパント）を前記反応炉内で除去する除去工程を設けた方法により実現できる。
【０００７】
そこで発明者は、ドーピング工程で被処理膜の表面に吸着した燐を如何にして除去するかにつき更に研究した。その結果発明者は、前記除去工程では、前記被処理膜の表面に吸着した燐（ドーパント）を前記反応炉内で酸化させることとすれば、これを容易に除去できることを見出した。
【０００８】
この点につき具体例を挙げて説明する。図５は、ドーパントに使用する燐と意図的に形成した燐の酸化物（Ｐ２Ｏ３）の揮発特性を示す。同図では、縦軸に昇華温度［℃］をとり、横軸に圧力［Ｐａ］をとっている。ドーパントに使用する燐としては、黒燐，紫燐，黄燐を例示した。同じ圧力下における昇華温度は、黒燐、紫燐、黄燐、Ｐ２Ｏ３の順に低くなるのが分かる。
【０００９】
つまり、被処理膜の表面に吸着したドーパントそのものよりも、該ドーパントの酸化物の方が昇華し易い。具体的には、例えば１００［Ｐａ］においては、黒燐の昇華温度が３００℃であるのに対して、Ｐ２Ｏ３の昇華温度は大きく低下する。実測の範囲内では、Ｐ２Ｏ３の昇華温度は１０５［Ｐａ］においても２００℃以下であり、１０３［Ｐａ］においては略５０℃である。この事実は、被処理膜表面の燐を酸化すれば、これを低い温度で昇華させることができ、結果として被処理膜表面の燐を容易に除去できると云うことを示す。
【００１０】
そこで本発明では、以上のような知見に基づいて、前記除去工程では酸素を含むガスを前記被処理膜に対して供給することにより、該被処理膜の表面に吸着したドーパントを酸化させることとした。
【００１１】
即ち、本発明の第１の態様によれば、被処理膜に対して燐を含む処理ガスを供給することにより前記被処理膜へ燐をドープするドーピング工程と、前記ドーピング工程の後に、前記被処理膜に対して酸素を含むガスを供給する酸素パージ工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
この第１の態様では、酸素パージ工程において被処理膜に対して酸素を含むガスを供給すると、ドーピング工程で被処理膜の表面に吸着した燐が酸化してＰ２Ｏ３が形成される。上述のようにＰ２Ｏ３は燐の昇華温度よりも低い温度で容易に昇華する。その結果として、被処理膜の表面に吸着した燐が除去されることになる。これにより、Ｐ２Ｏ５の発生を回避できる。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様による半導体装置の製造方法において、前記酸素パージ工程は、前記被処理膜の温度を前記ドーピング工程時の最高温度よりも低い温度とした状態で行う半導体装置の製造方法が提供される。
【００１３】
本発明の第３の態様によれば、第２の態様による半導体装置の製造方法において、前記酸素パージ工程は、前記被処理膜の温度を５００℃以下とした状態で行う半導体装置の製造方法が提供される。
【００１４】
本発明の第４の態様によれば、第１乃至第３の態様による半導体装置の製造方法において、前記処理ガスがＰＨ３を含むガスである半導体装置の製造方法が提供される。ＰＨ３を含むガスとしては、ＰＨ３又はＰＨ３及びＮ２の混合ガスが挙げられる。
【００１５】
本発明の第５の態様によれば、第１乃至第４の態様による半導体装置の製造方法において、前記酸素を含むガスがＯ２，Ｏ３，ドライエアーの何れかである半導体装置の製造方法が提供される。
【００１６】
本発明の第６の態様によれば、第１乃至第４の態様による半導体装置の製造方法において、前記被処理膜がシリコン膜である半導体装置の製造方法が提供される。
【００１７】
本発明の第７の態様によれば、第６の態様による半導体装置の製造方法において、前記シリコン膜が、アモルファスシリコン膜若しくはポリシリコン膜、又はアモルファスシリコンとポリシリコンとの混晶膜である半導体装置の製造方法が提供される。
【００１８】
本発明の第８の態様によれば、被処理膜を処理する処理室と、前記処理室内で前記被処理膜へ燐をドープするために、該被処理膜に対して燐を含む処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記燐がドープされた被処理膜に対して酸素を含むガスを供給する酸素供給手段と、を備える基板処理装置が提供される。
具体的態様では、前記酸素供給手段が前記処理室内を酸素ガスでパージする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、半導体装置の製造工程の一工程である拡散工程を行う本発明の実施の形態による基板処理装置を示す。この基板処理装置は、被処理膜の形成されたウエハ（基板）Ｗを処理する反応管（処理室）１と、この反応管１内のウエハＷを加熱するヒータ（加熱手段）２と、このヒータ２によるアニール処理によって被処理膜へ燐をドープするために、該被処理膜に対して燐を含む処理ガス（ＰＨ３ガス）を供給する第１ガス供給系（処理ガス供給手段）３と、該ドープによって被処理膜の表面に吸着した燐を酸化させるために、該被処理膜に対して酸素ガスを供給する第２ガス供給系（酸素供給手段）４とを備える。
【００２０】
なお、ドープによって被処理膜の表面に吸着した燐を酸化させるために該被処理膜に対して供給するガスとしては、酸素ガスの他にも、Ｏ３ガスやドライエアー等が挙げられる。
【００２１】
反応管１は、同心状に立設された内管１ａと外管１ｂからなる二重管構造を有する。内管１ａの上部は開放されている。その開放部を通じて内管１ａと外管１ｂが連通している。ヒータ２は反応管１の周囲を取り囲むように配置されている。ヒータ２は複数のゾーンに分割されている。各ゾーン別に供給電力を制御することにより、反応管１内を均一若しくは所定の温度勾配をもつように加熱できる。反応管１とヒータ２とを含んで縦型の反応炉（拡散炉）が構成されている。
【００２２】
内管１ａの中には、１バッチ分（例えば１７０枚）のウエハＷを所定ピッチで鉛直方向に多段に保持する石英ボート６がロードされる。ボート６は、キャップ７の上に搭載されている。図示せぬエレベータによってキャップ７を昇降することにより、ボート６をロード／アンロードできる。反応管１の下端は開口しているが、ボート６がロードされたときには底蓋８によってその開口部が気密封止される。
【００２３】
また基板処理装置は、反応管１内の処理済みガス等を排気し、又反応管１内を所定の減圧状態とするガス排気系９を備える。ガス排気系９は、外管１ｂの下部に設けられた排気口９１から真空ポンプにわたって配された排気管と、排気管の途中に設けられたメイン排気バルブや排気バルブ等を備える。
【００２４】
第１ガス供給系３は、ＰＨ３ガス源および希釈用のＮ２ガス源と、このＰＨ３ガス源，Ｎ２ガス源から内管１ａ下部の噴出口３１にわたって配されたＰＨ３ガス管３２と、このＰＨ３ガス管３２の途中に設けられたＭＦＣ（マスフローコントローラ）等の流量調節手段とを備える。
第２ガス供給系４は、酸素ガス源及び窒素ガス源と、これら各ガス源から内管１ａ下部の噴出口４１にわたって配されたガス管４２と、このガス管４２の途中に設けられたＭＦＣ等の流量調節手段とを備える。
【００２５】
このように、ＰＨ３ガスと酸素ガスとは別々のガスラインから供給される。各ガス管３２，４２から供給されたガスは、それぞれ噴出口３１，４１から内管１ａ内に噴出される。噴出されたガスは、内管１ａの中を下部から上部の開放部まで移動し、内管１ａと外管１ｂの間の空間を通って下方に流れ、排気口９１から排気される。
【００２６】
また基板処理装置は、第１ガス供給系３からＰＨ３ガス又はＰＨ３ガスとＮ２ガスの混合ガスを供給させると共に該ＰＨ３ガスに含まれる燐をヒータ２によるアニール処理によって各被処理膜へドープさせ、次いで該ドープによって各被処理膜の表面に吸着した燐を酸化させるために第２ガス供給系４に酸素ガスを供給させる制御を行う制御部５を備える。
【００２７】
制御部５は、第１ガス供給系３、第２ガス供給系４、及びガス排気系９等を制御するガス制御部５１と、ヒータ２の加熱温度を制御する温度制御部５２とを有する。ガス制御部５１は、上記各流量調節手段を介してＰＨ３ガス，酸素ガス，窒素ガスの供給量を制御する。制御部５は、例えばソフトウエアによって実現できる。
【００２８】
図２は、この基板処理装置を用いた半導体装置の製造工程の一工程としてのＰＨ３アニール処理における炉内温度の時間変化を示す。以下、同図を参照しながら基板処理装置の作用を説明する。
【００２９】
まず温度制御部５２は、反応管１内を自然酸化膜の形成を抑止できる入炉温度（例えば３５０℃）とするようヒータ２を制御する（予備加熱工程）。次いで、被処理膜の形成された１バッチ分のウエハＷを搭載したボート６を、反応管１へロードする（入炉工程）。次いで、ガス排気系９により反応管１を真空引きする（初期真空引き工程）。
【００３０】
次いで、ドーピング工程においてＰＨ３アニール処理を行う。即ち、真空引きの後、第１ガス供給系３から反応管１内にＰＨ３ガスを供給する。このとき炉内圧力は１００［Ｔｏｒｒ］近傍に保つ。そして、この圧力状態で炉内温度を入炉温度（３５０℃）から、このＰＨ３アニール工程の最高温度（例えば７００℃）まで昇温する（昇温工程）。炉内温度が最高温度（７００℃）に達すると、当該温度を所定の期間保つ（温度安定工程）。その後、炉内温度を最高温度（７００℃）から、該最高温度よりも低くかつドーパント（Ｐ）の酸化物（Ｐ２Ｏ３）が昇華する温度以上の温度である酸化物除去温度（例えば５００℃）に降温する（降温工程）。これらの工程を経る過程で、ＰＨ３ガス中の燐が各被処理膜に熱拡散（ドープ）する。このとき、燐は被処理膜の表面にも吸着する。
【００３１】
こうして昇温工程から降温工程にわたるドーピング工程が終了すると、ＰＨ３の供給を停止すると共に、ガス排気系９によって反応管１内を真空引きする（真空引き工程）。その後、第２ガス供給系４から反応管１内にＮ２ガスを供給する一方、反応管１内の残留ガスをガス排気系４から排出する（窒素パージ工程）。これにより、反応管１内に残留しているＰＨ３ガスが排出される。なお、真空引き工程と窒素パージ工程は複数回繰り返し行うようにしてもよい（サイクルパージ）。
【００３２】
次いで、酸素パージ工程（酸素供給工程）を行う。即ち、第１ガス供給系３とは別のガスラインである第２ガス供給系４から反応管１内に酸素ガスを供給する。酸素ガスの流量は３００［ｃｃ］である。これによりドーピング工程において各被処理膜の表面に吸着した燐が酸化されてＰ２Ｏ３が形成される。このとき炉内は酸化物除去温度（５００℃）に保たれているから、Ｐ２Ｏ３は容易に昇華（揮発）する。昇華したＰ２Ｏ３を含む処理済みガスはガス排気系９から排出される。結果として各被処理膜表面に吸着した燐が除去される。このようにして、反応管１内に酸素ガスを供給する一方、反応管１内の処理済みガスを排気して、該反応管１内を３０［Ｐａ］に保ちながら酸素パージ工程を３０分間行う。
【００３３】
次いで、酸素ガスの供給を停止すると共に、ガス排気系９によって反応管１内を真空排気する（真空引き工程）。その後、第２ガス供給系４から反応管１内にＮ２ガスを供給する一方、反応管１内の残留ガスをガス排気系４から排出する（窒素パージ工程）。このような窒素パージ工程を数分間行う。さらに反応管１内の残留ガスを確実にパージするために、この真空引き工程と窒素パージ工程とを数回繰り返し行う（サイクルパージ）。
【００３４】
しかる後、反応管１内をＮ２によって大気圧状態まで上昇させ、処理済みウエハＷを搭載したボート６を反応管１よりアンロードする（退炉工程）。
【００３５】
上記基板処理装置によれば、次のような効果が得られる。
（１）予備加熱工程において炉内温度を、自然酸化膜の形成を抑止できる入炉温度としておいたから、入炉のときに被処理膜に自然酸化膜が形成されてしまうのを防止できる。従って、後のドーピング工程では、被処理膜へ燐を良好に拡散できる。尚、被処理膜の表面に自然酸化膜が形成されてしまうと、該自然酸化膜によって燐の拡散が阻害されるので好ましくない。
【００３６】
（２）ボート６をアンロードする前に、反応管１内で被処理膜表面の燐を意図的に酸化させて予め除去したから、処理済みウエハＷを大気にさらしても、五酸化燐（Ｐ２Ｏ５）の生成それ自体が抑止される。またこれにより、Ｐ２Ｏ５のクラスタ化を回避できるから、処理後において被処理膜に発生するパーティクル、およびパーティクルの時間的増加を抑制できる。
【００３７】
具体的には図３に示すように、実施例によれば、処理済みウエハを１５分間大気放置しても、パーティクル数の検出結果は一貫して略ゼロに保たれた。なお図３の横軸は放置時間［分］、縦軸はウエハに付着した０．１６μｍ以上のパーティクル数を示している。
これに対して、酸素パージ工程を省いた比較例では、処理済みウエハの放置時間の経過とともにパーティクル数は次第に増加した。尚、パーティクル数はパーティクルカウンタにより検出した。
【００３８】
また図４に示すように、実施例によれば、個々の処理において発生するパーティクル数そのものも低減できた。なお図４の横軸は処理回数（Ｒｕｎ　Ｎｏ．）、縦軸はウエハ上に付着した０．１６μｍ以上のパーティクル数を示している。ｔｏｐとはボート上部のウエハ、ｂｏｔｔｏｍとはボート下部のウエハのことである。また実施例による処理を複数回行っても、パーティクル数は一貫して１０以下に保たれた。そのうち幾つかの処理においてはパーティクル数が略ゼロとなった。さらにボートの高さ方向におけるウエハ位置によるパーティクル数の変動も殆ど認められなかった。
これに対し、酸素パージ工程を行わないこととした比較例では（Ｒｕｎ　Ｎｏ．１〜８）、個々の処理において発生するパーティクル数が増大し、甚だしい場合には３０となった。また比較例による処理を複数回行った場合、処理毎におけるパーティクル数も大きく変動した。さらにボートの高さ方向におけるウエハ位置によっても、パーティクル数が大きく変動した。
【００３９】
以上、本発明が適用された縦型のバッチ式装置について説明した。本発明は、横型の装置や枚葉式装置等にも適用できる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、被処理膜への燐のドーピングにおいて、パーティクルの発生を低減できる。本発明によれば、被処理膜へ燐をドープした後において該被処理膜に発生するパーティクルの時間的増加を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態による基板処理装置の構成を模式的に示した図。
【図２】実施の形態によるＰＨ３アニール処理における炉内温度の時間的変化を示した図。
【図３】実施の形態によるＰＨ３アニール処理を施したウエハと、比較例によるＰＨ３アニール処理を施したウエハとをそれぞれ大気中に放置した場合におけるパーティクル数の時間的変化を示した図。
【図４】実施の形態によるＰＨ３アニール処理と、比較例によるＰＨ３アニール処理とにおいてそれぞれ発生したパーティクル数を処理毎にプロットした図。図中、ｔｏｐとあるはボート頂部のウエハを指し、ｂｏｔｔｏｍとあるはボート底部のウエハを指す。
【図５】各種燐の揮発温度と圧力との関係を示した図。
【符号の説明】
１…反応管、２…ヒータ、３…第１ガス供給系（ＰＨ３ガス供給手段）、４…第２ガス供給系（Ｏ２ガス供給手段）、５…制御部（ガス制御手段）、６…ボート、９…ガス排気系、Ｗ…ウエハ（被処理体）。
【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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