(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉内でボートにより複数枚の基板を垂直方向に積層支持する工程と、
前記反応炉内にモノシランとモノゲルマンとを供給して、前記ボートにより積層支持された前記複数枚の基板上にシリコンゲルマニウム膜を成膜する工程と、を有し、
前記シリコンゲルマニウム膜を成膜する工程では、前記モノゲルマンを長さの異なる複数本のノズルを用いて、前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の垂直方向において異なる複数箇所から供給することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記複数枚の基板が存在する領域は、トップ領域と、該トップ領域下方のセンタ領域と、該センタ領域下方のボトム領域とを含んでおり、前記シリコンゲルマニウム膜を成膜する工程では、前記モノゲルマンを前記トップ領域、前記センタ領域および前記ボトム領域のそれぞれの領域から供給することを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記シリコンゲルマニウム膜を成膜する工程では、前記モノゲルマンを前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の下方からも供給することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記シリコンゲルマニウム膜を成膜する工程では、前記モノゲルマンを前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の上流側からも供給することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
反応炉内でボートにより複数枚の基板を垂直方向に積層支持する工程と、
前記反応炉内にモノシランとモノゲルマンとを供給して、前記ボートにより積層支持された前記複数枚の基板上にシリコンゲルマニウム膜を成膜する工程と、を有し、
前記シリコンゲルマニウム膜を成膜する工程では、前記モノゲルマンを長さの異なる複数本のノズルを用いて、前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の垂直方向において異なる複数箇所から供給することを特徴とする基板処理方法。
【請求項６】
基板を処理する反応炉と、
前記反応炉内にモノシランを供給する第１ノズルと、
前記反応炉内にモノゲルマンを供給する第２ノズルと、
前記反応炉内で複数枚の基板を垂直方向に積層支持するボートと、を有し、
前記反応炉内にモノシランとモノゲルマンとを供給して、前記ボートにより積層支持された前記複数枚の基板上にシリコンゲルマニウム膜を成膜する処理を行う基板処理装置であって、
前記第２ノズルは、前記モノゲルマンを前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の垂直方向において異なる複数箇所から供給するよう、長さの異なる複数本のノズルで構成されることを特徴とする基板処理装置。
【請求項７】
前記複数枚の基板が存在する領域は、トップ領域と、該トップ領域下方のセンタ領域と、該センタ領域下方のボトム領域とを含んでおり、前記第２ノズルは、前記モノゲルマンを前記トップ領域、前記センタ領域および前記ボトム領域のそれぞれの領域から供給するよう構成されることを特徴とする請求項６記載の基板処理装置。
【請求項８】
前記第２ノズルは、前記モノゲルマンを前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の下方からも供給するよう構成されることを特徴とする請求項６または７に記載の基板処理装置。
【請求項９】
前記第２ノズルは、前記モノゲルマンを前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の上流側からも供給するよう構成されることを特徴とする請求項６または７に記載の基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの製造方法および基板処理装置に関し、特に、減圧ＣＶＤ法（化学気相堆積法）によって、ポリまたはアモルファスシリコンゲルマニウムを成膜する半導体デバイスの製造方法、基板処理方法および基板処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体デバイスを製造する工程においては、減圧ＣＶＤ法（化学気相堆積法）によって、基板上に薄膜を成膜することが行われている。そのような成膜工程の中の一つとして、減圧ＣＶＤ法によって、ポリシリコンゲルマニウム膜をＭＯＳトランジスタのゲート電極部分に形成することが試されている。
【０００３】
従来、ＭＯＳトランジスタのゲート電極部分にはシリコンが使用されてきたが、近年のゲート絶縁膜の薄膜化に伴い、ゲートにバイアス電圧を印加した際のゲートの空乏化や、熱処理工程におけるドーパントの電極からチャネル部分への突き抜けが、デバイス特性を悪化させる大きな問題点となっていた。上記の問題点は、シリコンに代えてシリコンゲルマニウムを用いることによって大幅に改善されることが判明している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
シリコンに代えてシリコンゲルマニウムを用いた場合、同じ成膜条件下（５００℃）での成膜速度は、シリコンの場合と比較して、ゲルマニウム比率が２０％の時で約６倍、ゲルマニウム比率が３０％の時で約１４倍に増加する。それに伴い、反応炉内を通過する際の反応ガスの消費量も増加し、その消費量の増加割合は、シリコンよりもゲルマニウムのほうが１ｃｍ３あたりの質量が２．３倍程度大きいため顕著である。ゲルマニウムの原料ガスであるモノゲルマンを反応炉下部から１本のノズルで炉内に供給した場合、モノゲルマンの消費により、反応炉内の上流側と下流側でガス濃度が顕しく異なり、膜厚およびゲルマニウム比率の面内・面間均一性は大幅に悪化する。
【０００５】
本発明の目的は、上記課題を解決し、モノシランとモノゲルマンとを使用して、減圧ＣＶＤ法によって、膜厚およびゲルマニウム比率の面内・面間均一性が良好なシリコンゲルマニウム膜を基板上に形成する半導体デバイスの製造方法、基板処理方法および基板処理装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、請求項１に記載のように、
反応炉内でボートにより複数枚の基板を垂直方向に積層支持する工程と、前記反応炉内にモノシランとモノゲルマンとを供給して、前記ボートにより積層支持された前記複数枚の基板上にシリコンゲルマニウム膜を成膜する工程と、を有し、前記シリコンゲルマニウム膜を成膜する工程では、前記モノゲルマンを長さの異なる複数本のノズルを用いて、前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の垂直方向において異なる複数箇所から供給することを特徴とする半導体デバイスの製造方法を構成する。
【０００７】
また、本発明は、請求項２に記載のように、
前記複数枚の基板が存在する領域は、トップ領域と、該トップ領域下方のセンタ領域と、該センタ領域下方のボトム領域とを含んでおり、前記シリコンゲルマニウム膜を成膜する工程では、前記モノゲルマンを前記トップ領域、前記センタ領域および前記ボトム領域のそれぞれの領域から供給することを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの製造方法を構成する。
また、本発明は、請求項３に記載のように、
前記シリコンゲルマニウム膜を成膜する工程では、前記モノゲルマンを前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の下方からも供給することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイスの製造方法を構成する。
また、本発明は、請求項４に記載のように、
前記シリコンゲルマニウム膜を成膜する工程では、前記モノゲルマンを前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の上流側からも供給することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイスの製造方法を構成する。
また、本発明は、請求項５に記載のように、
反応炉内でボートにより複数枚の基板を垂直方向に積層支持する工程と、前記反応炉内にモノシランとモノゲルマンとを供給して、前記ボートにより積層支持された前記複数枚の基板上にシリコンゲルマニウム膜を成膜する工程と、を有し、前記シリコンゲルマニウム膜を成膜する工程では、前記モノゲルマンを長さの異なる複数本のノズルを用いて、前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の垂直方向において異なる複数箇所から供給することを特徴とする基板処理方法を構成する。
また、本発明は、請求項６に記載のように、
基板を処理する反応炉と、前記反応炉内にモノシランを供給する第１ノズルと、前記反応炉内にモノゲルマンを供給する第２ノズルと、前記反応炉内で複数枚の基板を垂直方向に積層支持するボートと、を有し、前記反応炉内にモノシランとモノゲルマンとを供給して、前記ボートにより積層支持された前記複数枚の基板上にシリコンゲルマニウム膜を成膜する処理を行う基板処理装置であって、前記第２ノズルは、前記モノゲルマンを前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の垂直方向において異なる複数箇所から供給するよう、長さの異なる複数本のノズルで構成されることを特徴とする基板処理装置を構成する。
また、本発明は、請求項７に記載のように、
前記複数枚の基板が存在する領域は、トップ領域と、該トップ領域下方のセンタ領域と、該センタ領域下方のボトム領域とを含んでおり、前記第２ノズルは、前記モノゲルマンを前記トップ領域、前記センタ領域および前記ボトム領域のそれぞれの領域から供給するよう構成されることを特徴とする請求項６記載の基板処理装置を構成する。
また、本発明は、請求項８に記載のように、
前記第２ノズルは、前記モノゲルマンを前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の下方からも供給するよう構成されることを特徴とする請求項６または７に記載の基板処理装置を構成する。
また、本発明は、請求項９に記載のように、
前記第２ノズルは、前記モノゲルマンを前記反応炉内の前記複数枚の基板が存在する領域の上流側からも供給するよう構成されることを特徴とする請求項６または７に記載の基板処理装置を構成する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態例である基板処理装置の概要を示す。
【０００９】
本発明の半導体デバイスの製造方法においては、反応ガスとしてモノシランとモノゲルマンとを使用し、反応炉１１内において、減圧ＣＶＤ法によって、基板であるウエハ４の上にシリコンゲルマニウム膜を成膜する半導体デバイスの製造方法において、図１に示すような長さの異なる多数本ノズル１２ａ〜１２ｅを通してモノゲルマンを炉内に供給することを特徴とする。
【００１０】
本発明がなされる前の予備的考察において、膜厚およびゲルマニウム比率の面内・面間均一性を良好（３％以下）にするには、反応ガスの流れに沿って、成膜反応が始まる箇所から成膜が反応終わる箇所までの間で、モノシランガスおよびモノゲルマンガス、特に前述したようにモノゲルマンガスの消費を１０％以下に保つことが必要であることが、経験上、認められている。
【００１１】
モノゲルマンガスを反応炉１１下部から１本のノズルで炉内に供給する形態で、モノゲルマンガスの消費を１０％以下に保つために必要なモノゲルマン流量は、８インチウエハ用の内径２６ｃｍで高さが１３０ｃｍの反応管内で、成膜される部分の表面積（反応管内壁およびウエハ表面）と実際の成膜速度（実験値）を考慮して見積もると、ゲルマニウム比率２０％の場合約１４０ｓｃｃｍとなる。実際は安全のために反応ガスを１０％程度に希釈して用いるので、１４００ｓｃｃｍの希釈モノゲルマンを流すことになる。この時に必要なモノシラン流量はゲルマニウム比率２０％で成膜温度が５００℃の場合、約２８００ｓｃｃｍ（非希釈）である。ゲルマニウム比率をデバイス特性改善のためにもっと上げようとすると、前述したようにゲルマニウム比率を上げると成膜速度は速くなるので、ゲルマニウム比率３０％の時に、モノゲルマンガスの消費を１０％以下に保つために必要なモノゲルマンおよびモノシランの流量はそれぞれ５００ｓｃｃｍ（実際は５０００ｓｃｃｍの希釈モノゲルマン）および５０００ｓｃｃｍ（非希釈）となり、このような大流量のガスを流して、反応炉内を一般的なプロセス圧力（３０〜６０Ｐａ）にする場合には特大排気容量のポンプが必要であり現実的ではない。
【００１２】
これらの計算結果から、多数本ノズルを用いてモノゲルマンを炉内に途中供給し、モノゲルマンの消費を、反応ガスの流れに沿って、成膜反応が始まる箇所から成膜が反応終わる箇所までの間で、１０％以下に保つことが、膜厚およびゲルマニウム比率の面内・面間均一性が良好なシリコンゲルマニウム膜の形成を行う上で重要であるといえる。本発明は、このような考察に基づいてなされたものである。なお、このような条件下で形成されたシリコンゲルマニウム膜はポリシリコンゲルマニウム膜であるが、これとは異なる条件下ではアモルファスシリコンゲルマニウム膜が形成される場合もある。
【００１３】
本発明に係る基板処理装置の一例として、反応ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）とモノゲルマン（ＧｅＨ４）とを使用して、反応炉内でボートに複数枚のウエハを垂直方向に積層支持した状態で、炉体下部よりガスを導入し垂直方向に上昇させ、そのガスを用いたＣＶＤ法により、前記ウエハ上に薄膜を形成する減圧ＣＶＤ装置の構造概略図を図１に示す。
【００１４】
４ゾーンに分かれたヒータ６の内側に、反応炉１１の外筒である石英製のアウターチューブ１およびアウターチューブ１内部の反応管であるインナーチューブ２が設置されており、この２種のチューブの間をメカニカルブースタポンプ７およびドライポンプ８を用いて真空引きしている。従って、インナーチューブ２内側に導入される反応ガスは、インナーチューブ２内を上昇し、２種のチューブ１、２の間を下降して排気される。ウエハ４が装填された石英ボート３はインナーチューブ２内に設置され、反応ガスにさらされた時に気相中およびウエハ４表面での反応により、ウエハ４上に薄膜が形成される。断熱板５はボート３と装置下部との間を断熱するためのものである。また、図１中、９はボート回転軸であり、１０はステンレス製蓋である。
【００１５】
なお、ボート３には、ウエハ４を支持するスロットが合計１７２個設けられており、一番下のスロットから数えて１０スロット目まではダミーのウエハ４が、１１から１６７スロット目までは製品のウエハ４が、１６８から１７２スロット目まではダミーのウエハ４が支持される。また、図１中のトップ領域、センタ領域、ボトム領域とは、それぞれ、１２９から１６７スロット目までの製品のウエハ４の存在する領域、３７から１２８スロット目までの製品のウエハ４の存在する領域、１１から３６スロット目までの製品のウエハ４の存在する領域のことを示している。また、４つに分かれたヒータゾーンのうち、一番下のＬ(Lower)ゾーンは１スロット目より下側の、ウエハが殆ど存在しない領域に対応しており、下から二番目のＣＬ(Center Lower)ゾーンは２から５６スロット目までのダミーのウエハ４と製品のウエハ４とが混在する領域に対応しており、下から三番目すなわち上から二番目のＣＵ(Center Upper)ゾーンは５７から１７２スロット目までの製品のウエハ４とダミーのウエハ４とが混在する領域に対応しており、下から四番目すなわち一番上のＵ(Upper)ゾーンはそれより上側のウエハの存在しない領域に対応している。
【００１６】
モノゲルマン（ＧｅＨ４）を反応炉１１内に供給する石英ノズル１２ａ〜１２ｅは長さが異なり、合計５本設けられており、１２ａはモノシラン（ＳｉＨ４）を供給するノズルとともに炉口部（図中、左下）に設けられており、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ及び１２ｅは、前記炉口部を通り、それぞれの噴出口が３０スロット目、７０スロット目、１１０スロット目及び１５０スロット目の位置に対応するように、設けられている。このような長さの異なる複数本ノズル１２ａ〜１２ｅを用いることによって、モノゲルマンを反応炉炉１１内に途中供給することができる。
【００１７】
また、断熱板５はＬゾーンに対応するヒータ６よりも下側に設置される。
【００１８】
本発明に係る半導体デバイスの製造方法の一例として、図１に示した基板処理装置を用いる成膜手順を図２に示す。
【００１９】
まず反応炉１１内を成膜温度に安定化させた後、基板であるウエハ４を装填したボート３を反応炉１１内にロード（挿入）する。リアクター（反応炉１１）内を排気し、ボート３やチューブ１、２に吸着した水分等を脱離させるためにＮ２パージを行う。リアクター（反応炉１１）内リークチェックを行った後、モノシランとモノゲルマンの流量を設定し、反応炉１１内にガスを流して圧力を安定化させ成膜を行う。成膜が終了したら配管内をＮ２でサイクルパージし、Ｎ２でリアクター内を大気圧まで戻す。大気圧に戻ったらボート３をアンロードし、ウエハ４を自然冷却する。最後にウエハ４をボート３から取り出す。
【００２０】
［実施の形態例］
（複数本ノズルを用いたモノゲルマンの途中供給）
図１に例示した基板処理装置において、長さの異なる複数本ノズルを用いてモノゲルマンを反応炉内に途中供給することで、膜厚およびゲルマニウム比率の面内・面間均一性が良好なポリシリコンゲルマニウム膜の形成が可能となる。
【００２１】
実際に実験を行った結果、得られた膜厚およびゲルマニウム比率の面内・面間均一性を、従来例をも含めて、モノゲルマン供給形態で比較して図３に示す。
【００２２】
図３中、「１ノズル」は従来例に該当する形態であり、この場合に、モノゲルマンのノズルは１本のみであり、その噴出口はモノシランの噴出口の近くにある。これに対して、「３ノズル」と「５ノズル」とは本発明における形態であり、３ノズルの場合に、３本のモノゲルマンのノズルの噴出口はモノシランの噴出口の近くと、ボート３の７０スロット目の近くと、１５０スロット目の近くとにあり、５ノズルの場合に、５本のモノゲルマンのノズルの噴出口はモノシランの噴出口の近くと、ボート３の３０スロット目の近くと、７０スロット目の近くと、１１０スロット目の近くと、１５０スロット目の近くとにある。各噴出口からは、ほぼ等量のモノゲルマンが噴出するようになっている。
【００２３】
成膜温度は５００℃、気相圧力は３０Ｐａ、ゲルマニウム比率は２０％であり、モノゲルマンの（非希釈）全流量は、図３最下行（Ｔｏｔａｌ  ＧｅＨ４ 流量で表示）に示したように、１ノズルの場合に５０ｓｃｃｍ、３ノズルおよび５ノズルの場合に５８ｓｃｃｍである。モノシランおよびモノゲルマンは水素によって約１０倍に希釈されて反応炉に供給される。
【００２４】
実験の結果得られた膜厚の面内・面間均一性およびゲルマニウム比率（Ｇｅ比率と表示）の面内・面間均一性は図中に示されている。
【００２５】
図３から明らかなように、多数本ノズルを用いてモノゲルマンを炉内に供給することで、１本のノズルのみで供給する形態（従来例）と比較して、大幅に膜厚およびゲルマニウム比率の面内・面間均一性が改善されていることが分かる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の実施によって、モノシランとモノゲルマンとを使用して、減圧ＣＶＤ法によって、膜厚およびゲルマニウム比率の面内・面間均一性が良好なシリコンゲルマニウム膜を基板上に形成する半導体デバイスの製造方法、基板処理方法および基板処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る、反応ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）とモノゲルマン（ＧｅＨ４）とを使用して薄膜を形成する減圧ＣＶＤ装置の構造概略図である。
【図２】減圧ＣＶＤ法による成膜手順を説明する図である。
【図３】膜厚およびゲルマニウム比率の面内・面間均一性の、モノゲルマン供給形態での比較を示す図である。
【符号の説明】
１…アウターチューブ、２…インナーチューブ、３…ボート、４…ウエハ、５…断熱板、６…ヒータ、７…メカニカルブースタポンプ、８…ドライポンプ、９…ボート回転軸、１０…ステンレス製蓋、１１…反応炉、１２ａ〜１２ｅ…ノズル。
【図１】
0004792180.tif 000002
【図２】
0004792180.tif 000003
【図３】
0004792180.tif 000004