(57)【要約】【課題】パーティクル発生タイミングの短さから生じるガスクリーニング頻度の多さを低減しＣＯＯを改善することを可能とした半導体製造装置および半導体デバイスの製造方法を提供する。【解決手段】  反応管１２と、反応管１２内で基板１６を支持する支持具１４と、反応管１２内に成膜ガスを導入する成膜ガス導入手段２１、２２、２３とを有し、基板１６上に薄膜を形成する基板処理装置１において、少なくとも反応管１２の内壁面に、Ｒａが２〜４μｍの凹凸を形成する。クリーニングは、ＣｌＦ３ガスを用いる場合は、クリーニング温度を４００℃以下、Ｆ２ガスを用いる場合は、クリーニング温度を３５０℃以下として行う。【選択図】        図１
2005039153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応管と、
前記反応管内で基板を支持する支持具と、
前記反応管内に成膜ガスを導入する成膜ガス導入手段とを有し、前記基板上に薄膜を形成する基板処理装置であって、
少なくとも前記反応管の内壁面に、Ｒａが２〜４μｍの凹凸を形成したことを特徴とする基板処理装置。
【請求項２】
内壁面にＲａが２〜４μｍの凹凸を形成した反応管内に基板を搬入する工程と、
前記反応管内に成膜ガスを供給して前記基板上に薄膜を形成する工程と、
前記反応管内から前記基板を搬出する工程と、
前記反応管内に前記基板が存在しない状態で前記反応管内にＣｌＦ３ガスもしくはＦ２ガス供給することにより前記反応管内壁に付着した膜を除去するクリーニング工程と、を有する半導体デバイスの製造方法であって、
前記クリーニング工程ではＣｌＦ３ガスを用いる場合は、クリーニング温度を４００℃以下、Ｆ２ガスを用いる場合は、クリーニング温度を３５０℃以下とすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板処理装置および半導体デバイスの製造方法に関し、特に、ＣＶＤ成膜形成技術に係わり、石英インナーチューブ内面に成膜されるDoped Poly Si、 Doped Amorphous Si、  Poly Si膜の膜厚増加に伴う膜クラックの発生を防止し、Particle発生を抑止し、ガスクリーニングを小頻度化することによりＣＯＯ低下を防ぎ、製造コストを低減することが可能な半導体製造装置および半導体デバイスの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表面処理を施していないＲａ０．５μｍ未満の石英インナーチューブを使用した場合、ＣＶＤ成膜形成を行うと、石英インナーチューブ内面にも膜が成膜され、その膜中のストレス構成ベクトルが大きくなることで膜にクラックが入る。
【０００３】
例えば、リン（Ｐ）ドープトポリシリコン膜の場合には、石英インナーチューブへの累積膜厚が３．５μｍ程度でParticleが発生する。そのため累積膜厚３．５μｍとなると、ガスクリーニングを実施して、石英インナーチューブのクリーニングを行っていた。しかし、３．５μｍのガスクリーニングサイクルでは、クリーニング頻度が多くダウンタイムがかさみ、クリーニングコストが高価となり、その結果、ＣＯＯ（Cost of Ownership）を低下させるという問題があった。
【０００４】
なお、ボロン（Ｂ）ドープトポリシリコン膜や、ボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）をドープしたアモルファスシリコン膜や、ノンドープトポリシリコン膜、ノンドープアモルファスシリコン膜であってもほぼ同じである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の主な目的は、従来技術の問題点である、Ｐａｒｔｉｃｌｅ発生タイミングの短さから生じるガスクリーニング頻度の多さを低減しＣＯＯを改善することを可能とした半導体製造装置および半導体デバイスの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、
反応管と、
前記反応管内で基板を支持する支持具と、
前記反応管内に成膜ガスを導入する成膜ガス導入手段とを有し、前記基板上に薄膜を形成する基板処理装置であって、
少なくとも前記反応管の内壁面に、Ｒａが２〜４μｍの凹凸を形成したことを特徴とする基板処理装置が提供される。
【０００７】
本発明の第２の態様によれば、
内壁面にＲａが２〜４μｍの凹凸を形成した反応管内に基板を搬入する工程と、
前記反応管内に成膜ガスを供給して前記基板上に薄膜を形成する工程と、
前記反応管内から前記基板を搬出する工程と、
前記反応管内に前記基板が存在しない状態で前記反応管内にＣｌＦ３ガスもしくはＦ２ガス供給することにより前記反応管内壁に付着した膜を除去するクリーニング工程と、を有する半導体デバイスの製造方法であって、
前記クリーニング工程ではＣｌＦ３ガスを用いる場合は、クリーニング温度を４００℃以下、Ｆ２ガスを用いる場合は、クリーニング温度を３５０℃以下とすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法が提供される。
【０００８】
なお、ここで、Ｒａとは、算術平均高さをいう（ＪＩＳ  Ｂ  ６０１参照）
。
【０００９】
好ましくは、上記基板処理装置および上記半導体デバイスの製造方法において、前記反応管内壁面に形成する凹凸は、薬液処理により形成される。
【００１０】
また、好ましくは、上記基板処理装置および上記半導体デバイスの製造方法において、前記基板上に形成する膜が、ボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等のドーパント（不純物）をドープした多結晶シリコン膜であるドープトポリシリコン（Doped Poly Si）膜、ボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等のドーパント（不純物）をドープした非晶質シリコン膜であるドープトアモルファスシリコン（Doped Amorphous Si）膜、ノンドープトポリシリコン（Non-Doped Poly Si）膜、ノンドープアモルファスシリコン（Non-Doped Amorphous Si）膜のうちのいずれかである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、パーティクル発生タイミングの短さから生じるガスクリーニング頻度の多さを低減しＣＯＯを改善することを可能とした半導体製造装置および半導体デバイスの製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１（Ａ）は、本発明の一実施の形態の半導体製造装置である、縦型ＣＶＤ成膜装置１の概略縦断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ部の部分拡大図である。
【００１３】
図１（Ａ）に示すように、縦型ＣＶＤ成膜装置１においては、石英アウターチューブ１１の外部にヒータ１３を備えており、石英アウターチューブ１１内を均一に加熱できる構造となっている。石英アウターチューブ１１内には石英インナーチューブ１２が設けられている。石英アウターチューブ１１は真空を保つのに使用され、石英インナーチューブ１２はガス流路を形成するのに使用されている。石英インナーチューブ１２内には、複数の半導体ウェーハを垂直方向に積層して搭載する石英ボート１４が設けられている。この石英ボート１４は、キャップ１５上に搭載されており、キャップ１５を上下させることにより、石英インナーチューブ１２内に挿入され、また石英インナーチューブ１２から取り出される。石英アウターチューブ１１および石英インナーチューブ１２の下部は開放された構造となっているが、キャップ１５を上昇させることにより、キャップ１５の炉口シール板１８により閉じられ気密な構造となる。石英インナーチューブ１２の下部には、ＳｉＨ４、ＰＨ３供給配管２１のノズルの先端およびクリーニングガス供給配管２４のノズルの先端が設けられている。石英インナーチーブ１２の内側の中程にはＰＨ３供給配管２２のノズルの先端が設けられ、石英インナーチーブ１２の内側の上側にはＰＨ３供給配管２３のノズルの先端が設けられている。石英インナーチューブ１２の上部は開放されている。石英インナーチューブ１２と石英アウターチューブ１１との間の空間の下部には、排気口１７が連通して設けられている。排気口１７は真空ポンプ（図示せず）に連通しており、石英アウターチューブ１１内を減圧できる。
【００１４】
ＳｉＨ４、ＰＨ３供給配管２１のノズルの先端から供給されたＳｉＨ４ガスよびＰＨ３ガスは、その後、石英インナーチューブ１２内を下部から上部まで移動し、石英インナーチューブ１２と石英アウターチューブ１１との間の空間を通って下方に流れ、排気口１７から排気される。石英インナーチーブ１２の内側の中程にＰＨ３供給配管２２のノズルの先端を設け、石英インナーチーブ１２の内側の上側にＰＨ３供給配管２３のノズルの先端を設けているのは、石英ボート１４に垂直方向に積層して搭載される複数の半導体ウェーハ間のリン濃度のバラツキを抑えるためである。ＰＨ３供給配管２２のノズルの先端およびＰＨ３供給配管２３のノズルの先端から供給されたＰＨ３ガスも石英インナーチューブ１２内を上部まで移動し、石英インナーチューブ１２と石英アウターチューブ１１との間の空間を通って下方に流れ、排気口１７から排気される。また、クリーニングガス供給配管２４のノズルの先端から供給されたクリーニングガスも、その後、石英インナーチューブ１２内を下部から上部まで移動し、石英インナーチューブ１２と石英アウターチューブ１１との間の空間を通って下方に流れ、排気口１７から排気される。
【００１５】
本実施の形態では、図１（Ｂ）に示すように、石英インナーチューブ１２の内壁面にＲａが２〜４μｍの凹凸１２１を形成している。この凹凸１２１は、石英インナーチューブ１２を薬液によって処理する薬液処理によって形成される。
成膜を繰り返すことにより石英インナーチューブ１２の内壁面の表面に膜が堆積し、また、成膜を繰り返すことでウエーハ入炉時の温度変化で膜中にストレスが蓄積されるが、石英インナーチューブ１２の内壁面の表面に設けた凹凸１２１により、膜中のストレス構成ベクトルは、１方向（膜に平行方向：図２（Ａ）参照）から２方向（平行方向および垂直方向：図２（Ｂ）参照）に分散するため、ストレスが緩和される。その結果、従来は、累積膜厚が３．５μｍ程度で膜クラックが発生していたが、凹凸１２１を設けることにより、累積膜厚が５μｍを超えるまで膜クラック発生タイミングを遅らせることが可能となり、Ｐａｒｔｉｃｌｅ発生時期を遅らせることが可能となった。従ってガスクリーニング頻度を少なくすることができ、ＣＯＯ低減にも非常に有効である。なお、図２において、ＤＯＰＯＳは、Doped Poly Siの略である。
【００１６】
次に、この縦型ＣＶＤ成膜装置１を使用してリン（Ｐ）ドープトポリシリコン膜を形成した場合にガスクリーニングを行う方法について説明する。
【００１７】
まず、多数枚の半導体シリコンウェーハ１６を保持した石英ボート１４を５３０℃の温度に保たれた石英インナーチューブ１２内に挿入する。
次に、真空ポンプ（図示せず）を用いて排気口１７より真空排気する。
次に、ＳｉＨ４、ＰＨ３供給配管２１よりＳｉＨ４およびＰＨ３を供給し、ＰＨ３供給配管２２、２３からそれぞれＰＨ３を供給し、排気口１７より真空排気しながら、石英アウターチューブ１１内の圧力を９０Ｐａに保って、リンドープトポリシリコン膜を半導体シリコンウェーハ１６上に３００ｎｍ形成する。
次に、ＳｉＨ４、ＰＨ３供給配管２１よりのＳｉＨ４およびＰＨ３の供給、ＰＨ３供給配管２２、２３からのＰＨ３の供給を停止して、石英アウターチューブ１１内を排気口１７より真空排気する。
次に、ＳｉＨ４、ＰＨ３供給配管２１より、Ｎ２を石英アウターチューブ１１内に流入させてＮ２パージを行う。
その後、Ｎ２の供給を止めて石英アウターチューブ１１内を真空にする。Ｎ２パージとその後の石英アウターチューブ１１内の真空排気は数回セットで実施する。
その後、石英アウターチューブ１１内を真空状態から大気圧状態へ戻し、その後、石英ボート１４を下げて、石英アウターチューブ１１より引き出し、その後、石英ボート１４および半導体ウェーハ１６を室温まで下げる。
その後、石英ボート１４から半導体ウェーハ１６を取り出す。
次に、石英ボート１４に新たな半導体ウェーハ１６を搭載して、石英インナーチューブ１２内に挿入し、リンドープトポリシリコン膜を半導体シリコンウェーハ１６上に形成する。
【００１８】
上記リンドープトポリシリコン膜の製造方法を繰り返すと、図３（Ａ）示すように、石英インナーチューブ１２の内壁に膜３０が付着するが、この内壁に付着した膜３０の膜厚が所定の厚さに達した時点で、クリーニングガスをクリーニングガス供給配管２４から、石英インナーチューブ１２内へ導入することにより石英インナーチューブ１２の内壁に付着した膜３０のクリーニングを行う。
【００１９】
次に、このクリーニング方法について説明する。
まず、半導体ウェーハ１６を保持しない石英ボート１４を所定のクリーニング温度に保たれた石英インナーチューブ１２内に挿入する。
次に、真空ポンプ（図示せず）を用いて排気口１７より真空排気する。
次に、クリーニングガス供給配管よりクリーニングガスを供給し、真空ポンプ（図示せず）を用いて排気口１７より真空排気しながら、石英アウターチューブ１１内を１２０Ｐａに保った状態で、石英インナーチューブ１２のクリーニングを行う。
次に、クリーニングガスの供給を止めて、真空ポンプ（図示せず）を用いて排気口１７より真空排気して、残留クリーニングガスを排気する。
次に、ＳｉＨ４、ＰＨ３供給配管２１より、Ｎ２を石英アウターチューブ１１内に流入させてＮ２パージを行い、石英アウターチューブ１１内のクリーニングガスを除去する。
その後、真空ポンプ（図示せず）を用いて排気口１７より真空排気する。真空排気とＮ２パージは数サイクル実施する。
その後、石英アウターチューブ１１内を真空状態から大気圧状態へ戻し、その後、石英ボート１４を下げて、石英アウターチューブ１１より引き出す。
【００２０】
なお、クリーニングは、クリーニングガスの種類およびクリーンング温度に影響を受ける。
【００２１】
クリーニングガスとしてＣｌＦ３ガスを使用する場合には、４００℃以下のクリーニング条件であれば、選択比（膜のエッチングレート／石英のエッチングレート）が高くとれ、薬液処理により形成したＲａ２〜４μｍの凹凸１２１を削ることなく、石英インナーチューブ１２の内壁に付着した膜３０をエッチング除去でき、エッチング後も、図３（Ｂ）に示すように、石英表面の凹凸状態を納入時の初期状態に維持できる。そのため、ガスクリーニング頻度は、初期状態のガスクリーニング頻度（累積膜厚５μｍ毎に１度のガスクリーニング）と同じにすることができ、ＣＯＯ向上に優れた効果がある。
【００２２】
クリーニングガスとしてＦ２ ガスを使用する場合には、３５０℃以下のＦ２ ガスクリーニング条件であれば、選択比（膜のエッチングレート／石英のエッチングレート）が高くとれ、薬液処理により形成したＲａ２〜４μｍの凹凸１２１を削ることなく、石英インナーチューブ１２の内壁に付着した膜３０をエッチング除去でき、エッチング後も、図３（Ｂ）に示すように、石英表面の凹凸状態を納入時の状態を維持できる。そのため、ガスクリーニング頻度は、初期の状態のガスクリーニング頻度（累積膜厚５μｍ毎に１度のガスクリーニング）と同じにすることができ、ＣＯＯ向上に優れた効果がある。
【００２３】
なお、４００℃より高い温度でのＣｌＦ３クリーニングガスを使用したクリーニングや３５０℃より高い温度でのＦ２クリーニングガスを使用したクリーニングでは、図３（Ｂ）に示すように、選択比（膜のエッチングレート／石英のエッチングレート）が高くとれず、石英インナーチューブ１２の内壁に付着した膜３０をエッチング除去する際に、薬液処理により形成したＲａ２〜４μｍの凹凸１２１も削られてしまう。
【００２４】
このように、クリーニング時のクリーニングガス種や温度が選択比（膜のエッチングレート／石英のエッチングレート）に影響し、その結果、クリーニング後の石英インナーチューブ１２の内壁の凹凸状態に影響を与えるが、クリーニング時の圧力については、上記は１２０Ｐａの場合についてであるが、１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）以下では、上記と同じ結果が得られる。
【００２５】
図４は、リンドープトポリシリコン膜の形成を繰り返し、その度に発生するパーティクルを測定した結果と、累積膜厚との関係を示したものである。ここで、パーティクルが急に増加すると、それは、石英インナーチューブ１２の内壁に付着した膜３０にクラックが入り、そのためにパーティクルが発生したものであるので、その後、クリーニングを行っている。そして、このガスクリーニングは、ガスクリーニング後も、図３（Ｂ）に示すように、石英表面の凹凸状態を納入時の状態を維持できる条件、具体的には、クリーニングガスとしてＣｌＦ３ガスを使用して、４００℃で、クリーニングを行った。図中４００ＤＲＹ−ＣＬＮとはこの４００℃におけるドライクリーニングを意味している。また、図中、ＴＯＰとは、石英ボート１４の上部に保持した半導体ウェーハ１６を、ＣＴＲとは石英ボート１４の中央に保持した半導体ウェーハ１６を、ＢＴＭとは石英ボート１４の下部に保持した半導体ウェーハ１６を、Ｔ−Ｃとは石英ボート１４の上部と中央の間に保持した半導体ウェーハ１６を、Ｃ−Ｂとは石英ボート１４の下部と中央の間に保持した半導体ウェーハ１６を、それぞれ意味する。なお、パーティクルの測定はレーザ散乱法によった。
【００２６】
図４（Ａ）に示すように、石英インナーチューブ１２の内壁に薬液処理によりＲａ２〜４μｍの凹凸１２１を形成した場合には、累積膜厚が５．４μｍになるまで、クリーニングを施す必要がなかったが、図４（Ｂ）に示すように、Ｒａ０．５μｍ未満の凹凸を形成した場合には、累積膜厚３．５μｍとなると、ガスクリーニングを施す必要があった。
【００２７】
なお、本実施の形態は、リン（Ｐ）ドープトポリシリコン膜の場合について説明したが、ボロン（Ｂ）ドープトポリシリコン膜や、ボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）をドープしたアモルファスシリコン膜や、ノンドープトポリシリコン膜、ノンドープアモルファスシリコン膜であっても、本実施の形態とほぼ同じである。
【００２８】
以上のように、ＣＶＤ成膜装置での石英インナーチューブ表面（Ｒａ：２〜４μｍ）を使ったＤｏｐｅｄ  Ｐｏｌｙ  Ｓｉ、Ｄｏｐｅｄ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓｅ  Ｓｉ、Ｎｏｎ−Ｄｏｐｅｄ  Ｐｏｌｙ  Ｓｉでの成膜でのガスクリーニングサイクルの長期化が可能となり、ガスクリーニングに伴うダウンタイムを大幅に低減することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の一実施の形態の縦型ＣＶＤ成膜装置の概略縦断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ部の部分拡大図である。
【図２】膜中ストレスベクトル構成図である。
【図３】ガスクリーニング条件によるクリーニング状況を説明するための縦断面図である。
【図４】インナーチューブ表面処理粗さによるパーティクル発生タイミングを説明するための図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…縦型ＣＶＤ成膜装置
１１…石英アウターチーブ
１２…石英インナーチューブ
１３…抵抗加熱ヒータ
１４…石英ボート
１５…キャップ
１６…半導体ウェーハ
１７…排気口
１８…炉口シール板
２１…ＳｉＨ４、ＰＨ３供給配管
２２、２３…ＰＨ３供給配管
２４…クリーニングガス供給配管
【図１】
2005039153.tif 000003
【図２】
2005039153.tif 000004
【図３】
2005039153.tif 000005
【図４】
2005039153.tif 000006