(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の基板をボートにより垂直方向に積層支持した状態で反応炉内に搬入するステップと、
前記反応炉内にＳｉＨ４とＢＣｌ３とを導入して、熱ＣＶＤ法により前記ボートに支持された前記各基板上にボロンドープシリコン膜を成膜する成膜ステップと、
成膜後の前記基板を前記反応炉より搬出するステップとを有し、
前記成膜ステップでは、ＳｉＨ４を基板配列領域よりも上流側より導入して他端側に向けて流すと共に、ＢＣｌ３を長さの異なる複数のノズルを用いて、前記基板配列領域よりも上流側及び前記基板配列領域における複数箇所より導入して前記他端側に向けて流し、その際、前記反応炉内の温度を３９０℃〜４５０℃とし、前記反応炉内のＢＣｌ３の分圧を０．０６Ｐａ〜０．７Ｐａと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】
前記基板配列領域における複数箇所とは、前記基板配列領域の垂直方向における異なる複数箇所であ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】
前記基板配列領域よりも上流側には複数の断熱板が配列され、前記基板配列領域よりも上流側より導入するＢＣｌ３は前記断熱板配列領域よりも上流側より導入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４】
前記基板配列領域よりも上流側には複数の断熱板が配列され、前記基板配列領域よりも上流側より導入するＢＣｌ３およびＳｉＨ４は前記断熱板配列領域よりも上流側より導入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５】
前記成膜ステップにおける前記反応炉内の温度を３９０℃又は４５０℃と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６】
複数枚の基板をボートにより垂直方向に積層支持した状態で反応炉内に搬入するステップと、
前記反応炉内にＳｉＨ４とＢＣｌ３とを導入して、熱ＣＶＤ法により前記ボートにより支持された前記各基板上にボロンドープシリコン膜を成膜する成膜ステップと、
成膜後の基板を前記反応炉より搬出するステップとを有し、
前記成膜ステップでは、ＳｉＨ４を基板配列領域よりも上流側より導入して他端側に向けて流すと共に、ＢＣｌ３を長さの異なる複数のノズルを用いて、前記基板配列領域よりも上流側及び前記基板配列領域における複数箇所より別々に導入して前記他端側に向けて流し、その際、前記反応炉内の温度を３９０℃〜４５０℃とし、前記反応炉内のＢＣｌ３の分圧を０．０６Ｐａ〜０．７Ｐａと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７】
前記成膜ステップでは、前記複数のノズルごとにＢＣｌ３の分圧を個別にコントロールすることを特徴とする請求項６記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記成膜ステップでは、前記複数のノズルごとにＢＣｌ３の流量を個別にコントロールすることを特徴とする請求項６記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
基板を処理する反応管と、
前記反応管内で複数枚の基板を積層支持するボートと、
前記反応管の外部に設けられ、前記反応管内の前記基板を加熱するヒータと、
前記反応管内にＳｉＨ４を導入するノズルと、
前記反応管内にＢＣｌ３を導入するノズルと、
を有し、前記反応管内に前記ノズルよりＳｉＨ４とＢＣｌ３とを導入して、熱ＣＶＤ法により前記ボートにより支持された前記各基板上にボロンドープシリコン膜を形成する基板処理装置において、
前記ＢＣｌ３を導入するノズルは、
基板配列領域よりも上流側よりＢＣｌ３を導入するノズルと、前記基板配列領域における複数箇所からそれぞれＢＣｌ３を導入する長さの異なる複数のノズルと、により構成され、
前記ＳｉＨ４を導入するノズルは、前記基板配列領域よりも上流側よりＳｉＨ４を導入するノズルにより構成され、
前記各基板上にボロンドープシリコン膜を形成する際に、前記各ノズルを介して、ＳｉＨ４を前記基板配列領域よりも上流側より導入して他端側に向けて流すと共に、ＢＣｌ３を、前記基板配列領域よりも上流側及び前記基板配列領域における複数箇所より導入して前記他端側に向けて流し、その際、前記反応炉内の温度を３９０℃〜４５０℃とし、前記反応炉内のＢＣｌ３の分圧を０．０６Ｐａ〜０．７Ｐａとするように制御する制御部を更に有することを特徴とする基板処理装置。
【請求項１０】
前記基板配列領域よりも上流側には複数の断熱板が配列され、前記基板配列領域よりも上流側よりＢＣｌ３を導入するノズルおよびＳｉＨ４を導入するノズルは、前記断熱板配列領域よりも上流側より各ガスを導入するように構成されることを特徴とする請求項９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に関し、特に、ＣＶＤ法（化学気相堆積法）によって、ボロンドープシリコン膜すなわち、ボロンドープアモルファスシリコン膜またはボロンドープポリシリコン膜を成膜する半導体デバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平５−６２９０４号公報
ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体デバイスを製造する工程においては、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。そのような成膜方法の１つとして、減圧ＣＶＤ法によって、ボロンをドープしたシリコン膜を成膜することが実施されている。
【０００３】
従来、シリコン膜にボロンをドープするのにジボランが用いられていた。この場合に、反応炉内でボートに複数枚のウェ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、そのガスを用いて、熱ＣＶＤ法により、前記ウェハ上に薄膜を形成する減圧ＣＶＤ装置（図１に例示）を用いると、ＣＶＤ装置内のボトム領域（下部領域）からトップ領域（上部領域）までの全領域において、膜厚および抵抗率の面内均一性が１０〜２０％と悪かった。
【０００４】
また、ＣＶＤ装置内のボトム領域からトップ領域まで（図１参照）の抵抗率の面間（基板面間）均一性が温度フラット（均一）な状態で３０〜４０％と悪く、この均一性は、成膜温度を下げジボランの分解を抑えることで改善されるが成膜温度を下げると成膜速度が低下し、スループットが落ちるといった問題があった。
【０００５】
上記の膜厚面内均一性は、ジボランに代えて三塩化ホウ素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。図２に、ボロンドープポリシリコン膜の膜厚面内均一性を、シリコン源としてモノシランを用い、ボロンドープ用にジボランを用いた場合と三塩化ホウ素を用いた場合とで比較して示す。図中、縦軸は膜厚面内均一性（ただし、膜厚面内不均一量の百分率で表しているので、縦軸の数値が小さいほど均一性が良い）、横軸はウェハ搭載スロット位置（図１参照）である。図２から明らかなように、ジボランを用いた場合よりも三塩化ホウ素を用いた場合のほうが、膜厚面内均一性が大幅に改善していることが分かる。
【０００６】
また、上記の抵抗率の面間均一性も、上記のジボランを三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）に代えることによって、大幅に改善されることが判明している。例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）と三塩化ホウ素とを用いて作製したボロンドープポリシリコン膜において、抵抗率面間均一性は、モノシラン分圧６３.４Ｐａ、三塩化ホウ素分圧３.２Ｐａで温度４００〜４２０℃フラットの状態で約１０％である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ボロンドープ用のガスとして三塩化ホウ素を用いた場合においても、ボトム領域（スロット位置Ｎｏ１１-３６）での膜厚面内均一性は５〜６％であり、この値は、半導体素子の製造用としては十分に低い値ではなく、この膜厚面内均一性をさらに改善することは実用上の重要な課題となっている。
【０００８】
また、抵抗率の面間均一性についても、三塩化ホウ素を用いた場合においては、ジボランガスでの結果と比較すると、良い値であるが、生産レベルで考えた場合は不十分であり、この抵抗率面間均一性は３％以下であることが要求される。
【０００９】
抵抗率面間均一性が悪い理由の１つに、三塩化ホウ素分圧の反応炉内位置による変化が挙げられる。リアクター内に導入された三塩化ホウ素ガスは、成膜によって消費されながらリアクター内を上昇し、排気されるが、モノシランとの消費率が違うため、炉内位置によって三塩化ホウ素ガスの分圧が変化していることが考えられる。そこで、抵抗率を三塩化ホウ素ガス分圧の変化に左右されずに面間で均一にすることが望ましく、それを実現するための条件を求めることが実用上重要である。
【００１０】
本発明の目的は、上記課題を解決し、モノシランと三塩化ホウ素とを使用し、ＣＶＤ法によって基板上にボロンドープシリコン膜を成膜する半導体デバイスの製造方法であって、膜厚面内均一性が良好なボロンドープシリコン膜の作製を可能とする半導体デバイスの製造方法および基板処理装置を提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、上記課題を解決し、モノシランと三塩化ホウ素とを使用し、ＣＶＤ法によって基板上にボロンドープシリコン膜を成膜する半導体デバイスの製造方法であって、抵抗率面間均一性が良好なボロンドープシリコン膜の作製を可能とする半導体デバイスの製造方法および基板処理装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、
第１の手段として、反応ガスとしてモノシランと三塩化ホウ素とを使用し、反応炉内において、ＣＶＤ法によって基板上にボロンドープシリコン膜を成膜する半導体デバイスの製造方法において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内温度を４６０℃以上６００℃未満と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し、
第２の手段として、前記第１の手段において、前記反応炉内でボートに複数枚の基板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、熱ＣＶＤ法により各前記基板上にボロンドープシリコン膜を形成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し、
第３の手段として、前記第１の手段において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内温度を４８０℃以上６００℃未満と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し、
第４の手段として、前記第１の手段において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内温度を５２０℃以上６００℃未満と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し、
第５の手段として、前記第１の手段において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内のガスの合計平均流速を３８９０ｃｍ/分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を構成し、
第６の手段として、前記第３の手段において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内のガスの合計平均流速を３９９０ｃｍ/分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を構成し、
第７の手段として、前記第４の手段において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内のガスの合計平均流速を４２００ｃｍ/分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を構成し、
第８の手段として、反応ガスとしてモノシランと三塩化ホウ素とを使用し、反応炉内において、ＣＶＤ法によって基板上にボロンドープシリコン膜を成膜する半導体デバイスの製造方法において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内のガスの合計平均流速を２２００ｃｍ/分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を構成し、
第９の手段として、前記第８の手段において、前記反応炉内でボートに複数枚の基板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、熱ＣＶＤ法により各前記基板上にボロンドープシリコン膜を形成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し、
第１０の手段として、前記第８の手段において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内のガスの合計平均流速を１４７０ｃｍ/分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を構成し、
第１１の手段として、前記第８の手段において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内のガスの合計平均流速を７３０ｃｍ/分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を構成し、
第１２の手段として、前記第８の手段において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内温度を４００℃以上６００℃未満と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し、
第１３の手段として、前記第８の手段において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内温度を４００℃以上４４０℃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を構成し、
第１４の手段として、反応炉内でボートに複数枚の基板を垂直方向に積層支持した状態で、炉体下部より反応ガスとしてモノシランと三塩化ホウ素とを導入し垂直方向に上昇させ、熱ＣＶＤ法により各前記基板上にボロンドープシリコン膜を形成する半導体デバイスの製造方法において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内のガスの合計平均流速を、各前記基板上に形成される前記ボロンドープシリコン膜の膜厚面内均一性が３％以下となるような流速と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し、
第１５の手段として、反応ガスとしてモノシランと三塩化ホウ素とを使用し、反応炉内において、ＣＶＤ法によって基板上にボロンドープシリコン膜を成膜する半導体デバイスの製造方法において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内の三塩化ホウ素の分圧を０.７Ｐａ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を構成し、
第１６の手段として、ヒータにより加熱された反応炉内において、モノシランと三塩化ホウ素とを使用し、ＣＶＤ法によって、基板上にボロンドープシリコン膜を形成する半導体デバイスの製造方法において、前記反応炉内に設置され、前記ヒータに対向する部分と、前記反応炉内におけるガス流路の上流側にガスを放出する噴出口とを有するノズル管を通して前記三塩化ホウ素を前記反応炉内に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し、
第１７の手段として、内部で基板を処理する反応管と、前記反応管の外部に設けられ、前記基板を加熱するヒータと、前記反応管内にモノシランを供給するノズルと、前記反応管内に三塩化ホウ素を供給するノズル管とを有する基板処理装置において、前記三塩化ホウ素を供給するノズル管は、前記反応管内において前記ヒータに対向する部分と、反応炉内におけるガス流路の上流側に前記三塩化ホウ素を放出する噴出口とを有することを特徴とする基板処理装置を構成する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［参考形態］
本発明がなされる前の予備的考察において、上記ボトム領域で形成された膜厚面内均一性が５〜６％のボロンドープポリシリコン膜は、ウェハ中心部で厚く、外側にいくほど薄くなっていく傾向が見られた。これは、ボロンが有する成膜速度を増加させる触媒効果を考慮すると、ボトム領域ウェハ外側部分では三塩化ホウ素ガスは十分に分解しておらず、ウェハ内側方向に拡散していく際に除々に分解していることが考えられる。ウェハ面内温度分布による影響も原因として挙げられるが、成膜前温度安定化時間やボトム領域下方ダミーウェハの有無に対する膜厚面内均一性の依存性が無いことから、それは考えにくい。これらの結果から、三塩化ホウ素をボトム領域に達するまでに十分分解させることが、ボトム領域の膜厚面内均一性を改善する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。
【００１４】
反応ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）と三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）とを使用して、反応炉内でボートに複数枚のウェ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、そのガスを用いて、熱ＣＶＤ法により、前記ウェハ上に、ボロンドープシリコン薄膜、すなわち、ボロンドープアモルファスシリコン薄膜またはボロンドープポリシリコン薄膜を形成するホットウォール式のバッチ式縦型減圧ＣＶＤ装置の構造概略図を図１に示す。
【００１５】
ホットウォール炉を構成し、基板としてのウェハ４を加熱する、４ゾーンに分かれたヒータ６ａ〜６ｄの内側に、反応炉１０の外筒である石英製の反応管すなわちアウターチューブ１およびアウターチューブ１内部のインナーチューブ２が、軸を垂直にして設置されており、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内を垂直に上昇し、２種のチューブの間を下降して排気される。インナーチューブ２の全長は約１２５０〜１２６０ｍｍ、内径は約２５０〜２７０ｍｍであり、アウターチューブ１の全長は約１２７０〜１２８０ｍｍ、内径は約２９０〜３１０ｍｍであり、反応管内容積は約６６６００ｃｍ３〜６６７００ｃｍ３である。
【００１６】
複数枚のウェハ４が中心をそろえて垂直方向に積層して装填された石英製のボート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、気相中およびウェハ４表面での反応により、ウェハ４上に薄膜が形成される。断熱板５は、ウェハ４が存在する位置範囲内の温度を均一化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る。
【００１７】
なお、ボート３には、ウェハ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ェハ４が、１１から１６７スロット目までは製品のウェハ４が、１６８から１７２スロット目まではダミーのウェハ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ェハ４の存在する領域、３７から１２８スロット目までの製品のウェハ４の存在する領域、１１から３６スロット目までの製品のウェハ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(ヒータ６ｄに対応)は１スロット目より下側の、ウェ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(ヒータ６ｃに対応)は２から５６スロット目までのダミーのウェハ４と製品のウェハ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(ヒータ６ｂに対応)は５７から１７２スロット目までの製品のウェハ４とダミーのウェハ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(ヒータ６ａに対応)はそれより上側のウェハの存在しない領域に対応している。また、三塩化ホウ素ガス（ＢＣｌ３）を供給する石英ノズルはモノシラン（ＳｉＨ４）を供給するノズルとともにヒータと対向する領域より下方であって反応管下方の炉口部（図中、左下）にそれぞれ設けられている。また、断熱板５はＬゾーンに対応するヒータ６ｄよりも下側に設置される。
【００１８】
成膜手順を図３に示す。まず反応炉１０内を成膜温度に安定化させた後、ウェハ４を装填したボート３を反応炉１０内にロード（挿入）する。リアクター（反応炉１０）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パージを行なう。リアクター（反応炉１０）内リークチェックを行なった後、モノシランと三塩化ホウ素の流量を設定し、反応炉１０内にガスを流して圧力を安定化させ、ボロンドープシリコン膜、すなわち、ボロンドープアモルファスシリコン膜またはボロンドープポリシリコン膜の成膜を行なう。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、ウェハ４を自然冷却する。最後にウェハ４をボート３から取り出す。
【００１９】
［参考例１］
（成膜温度の高温化）
図４にボトム領域膜厚面内均一性の炉内温度依存性を示す。図中、縦軸は膜厚面内均一性（ただし、膜厚面内不均一量の百分率で表しているので、縦軸の数値が小さいほど均一性が良い）、横軸は炉内温度である。この場合に、モノシランと三塩化ホウ素の分圧は、それぞれ、６９.３Ｐａと０.７Ｐａであり、流量は、それぞれ、５００ｓｃｃｍと５ｓｃｃｍである。
【００２０】
図４が示すように、炉内温度を上げることにより三塩化ホウ素の分解が促進され、特に、炉内温度４８０℃以上で良好な膜厚面内均一性が得られている。半導体デバイスの種類によっては、膜厚面内均一性が３％以下ならば、その膜を利用できる場合もあるので、そのような場合には、成膜温度、すなわち炉内温度を４６０℃以上、例えば４８０℃とすればよい。図４が示すように、成膜温度を４６０℃以上とすることにより、ボトム領域での膜厚面内均一性を３％以下とすることができ、また、成膜温度を４８０℃以上とすることにより、ボトム領域での膜厚面内均一性を２％以下とすることができる。また、成膜温度を５２０℃以上とすることにより、ボトム領域での膜厚面内均一性を１％以下とすることができる。ただし、成膜温度を６００℃以上とすると、三塩化ホウ素不足による抵抗率の増大や、トップ、センタ領域の膜厚面内均一性の悪化という問題が生じるので、成膜温度は６００℃未満であることが望ましい。
【００２１】
以上のことから、抵抗率を増大させることなく膜厚面内均一性を良好とするには、成膜温度を４６０℃以上６００℃未満とすることが好ましい。また、成膜温度を４８０℃以上６００℃未満とすると、抵抗率を増大させることなく膜厚面内均一性をさらに良好にすることができるので、より好ましい。
【００２２】
上記特許文献１においては、シラン（ＳｉＨ３）などのシリコン材と、ＰＨ３、ＢＣｌ３などのドープガスとを用い、枚葉処理方式で、約６００℃から約７００℃のウェーハ温度でウェーハ上にドープされたポリシリコン層を形成する方法が記載されている。しかしながら特許文献１に記載の上記ウェーハ温度範囲は、ドープガスとしてＰＨ３を用いた場合のものであって、ＢＣｌ３を用いた場合のものではない。ＢＣｌ３を用いた場合と、ＰＨ３を用いた場合とでは、反応の仕方が全く異なるので、ウェーハ温度も当然異なる。本参考例、後述の参考例および実施例に示すように、本発明においては、モノシランと三塩化ホウ素とを用いて、ボロンをドープされたシリコン膜を成膜する場合に、６００℃未満の温度を好ましい成膜温度とする。
【００２３】
以上に説明したように、成膜温度の高温化により、ボトム領域での膜厚面内均一性を１％程度まで低下させて、膜厚面内均一性を改善することができ、これまで膜厚面内均一性が５〜６％と悪くて廃棄してきたボトム領域（スロット位置Ｎｏ１１〜３６）のウェハを生産ラインに乗せることができるようになるため、生産性を大幅に向上させることができる。
【００２４】
［参考例２］
（ガス流速の低速化）
炉内温度を上げることにより、三塩化ホウ素の分解が促進されるので、炉内温度高温化により膜厚面内均一性を改善する方法が有効であることは、参考例１で述べた通りである。しかしながら、半導体デバイスの種類によっては、例えば４４０℃以下の温度で成膜しなければならない場合があり、このような場合、温度を上げることなく三塩化ホウ素の分解を促進する必要がある。そこで、本発明者らはガス流速を制御することにより（低速化することにより）、三塩化ホウ素の分解を促進する方法を見出した。
【００２５】
図５に膜厚面内均一性のモノシランと三塩化ホウ素の合計流量依存性を示す。図中、縦軸は膜厚面内均一性（ただし、膜厚面内不均一量の百分率で表しているので、縦軸の数値が小さいほど均一性が良い）、横軸はモノシランと三塩化ホウ素の合計流量である。この場合に、三塩化ホウ素の流量を５ｓｃｃｍ一定とし、モノシランの流量を５００ｓｃｃｍから１００ｓｃｃｍまで減少させ、炉内温度は４００〜４２０℃で成膜している。モノシランと三塩化ホウ素の分圧は、それぞれ、６０.０〜６９.３Ｐａと０.７〜１０Ｐａ、合計７０Ｐａである。
【００２６】
図５より、条件（Ｃ）に対して、ガス流速を約１/５にすることによって、反応炉１０内にガスが導入されてからボトム領域に達するまでの所要時間を大きくし、三塩化ホウ素が加熱される時間を延ばして、三塩化ホウ素の分解を促進させることができ、全領域で１％程度の膜厚面内均一性を実現させることができる（図中、(Ａ）で示す)。この時に用いた膜厚モニタのスロット位置は、ボトム領域がＮｏ１１(下から１１枚目）、センタ領域がＮｏ８９(下から８９枚目）、トップ領域がＮｏ１６７(下から１６７枚目）である。すでに述べたように、半導体デバイスの種類によっては、膜厚面内均一性が３％以下ならば、その膜を利用できる場合もあるので、そのような場合には、図中、(Ｂ)で示した条件下で成膜すればよい。すなわち、全領域で３％程度の膜厚面内均一性が許される場合には、モノシランと三塩化ホウ素の合計流量を２５５ｓｃｃｍとすればよい。
【００２７】
さらに、図５は、合計流量を３００ｓｃｃｍ以下とすれば、全領域で膜厚面内均一性が３％以下となることを示している。ガス流路の断面積は５３１ｃｍ２であるので、圧力７０Ｐａ、温度４００〜４２０℃における流量３００ｓｃｃｍは平均流速２２００ｃｍ/分となる。すなわち、平均流速２２００ｃｍ/分以下で成膜を行えば、全領域で膜厚面内均一性が３％以下であるようなボロンドープポリシリコン膜が得られることになる。
【００２８】
また、図５は、合計流量を２００ｓｃｃｍ以下、１００ｓｃｃｍ以下とすれば、全領域で膜厚面内均一性が、それぞれ、２％以下、１％以下となることを示している。ここで、合計流量が２００ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍのときの、それぞれの平均流速は、１４７０ｃｍ/分、７３０ｃｍ/分となる。すなわち、平均流速１４７０ｃｍ/分以下で成膜を行えば、全領域で膜厚面内均一性が２％以下であるようなボロンドープポリシリコン膜が得られることとなり、平均流速７３０ｃｍ/分以下で成膜を行えば、全領域で膜厚面内均一性が１％以下であるようなボロンドープポリシリコン膜が得られることとなる。
【００２９】
また、図５より、合計平均流速を、７３０ｃｍ/分〜２２００ｃｍ/分として成膜を行えば、全領域で、膜厚均一性が、１〜３％以下であるようなボロンドープシリコン膜が得られることが分かる。
【００３０】
以上に説明したように、ガス流速の低速化により、ボトム領域での膜厚面内均一性を１％程度とすることが可能となり、膜厚面内均一性を改善することができ、これまで膜厚面内均一性が５〜６％と悪くて廃棄してきたボトム領域（スロット位置Ｎｏ１１〜３６）のウェハを生産ラインに乗せることができるようになるため、生産性を大幅に向上させることができる。また、本方法、すなわちガス流速の低速化では低温プロセスにも対応することができる。
【００３１】
なお、炉内温度３８０〜４００℃として、ＢＣｌ３分圧、全圧、断熱板枚数を変化させて、ボトム領域膜厚面内均一性の変化を調べたところ、ＢＣｌ３分圧、全圧、断熱板枚数は、何れもボトム領域膜厚面内均一性に対し依存性はないことが実験により確認された。これらの実験から、ボトム領域膜厚面内均一性に最も影響を及ぼすのは、反応ガスの合計平均流速と炉内温度であることが判明した。
【００３２】
参考例１の図４に示した結果を得る際の実験において、各測定点にける反応ガスの合計平均流速は、炉内温度が３９０℃のとき３５１０ｃｍ/分、４１０℃のとき３６２０ｃｍ/分、４５０℃のとき３８３０ｃｍ/分、４８０℃のとき３９９０ｃｍ/分、５２０℃のとき４２００ｃｍ/分である。また同じ条件で炉内温度を４６０℃としたときの合計平均流速は３８９０ｃｍ/分であり、６００℃としたときは４６３０ｃｍ/分となる。前述のように、ボトム領域膜厚面内均一性に最も影響を及ぼすのは、反応ガスの合計平均流速と炉内温度であり、合計平均流速は低速である方が、また炉内温度は高い方がボトム領域膜厚面内均一性は良好となる。従って、少なくとも炉内温度を４６０℃とした場合に、合計平均流速を３８９０ｃｍ/分以下とすれば、ボトム領域での膜厚面内均一性を確実に３％以下とすることができ、また、少なくとも炉内温度を４８０℃とした場合に、合計平均流速を３９９０ｃｍ/分以下とすれば、ボトム領域での膜厚面内均一性を確実に２％以下とすることができ、また、少なくとも炉内温度を５２０℃とした場合に、合計平均流速を４２００ｃｍ/分以下とすれば、ボトム領域での膜厚面内均一性を確実に１％以下とすることができる。
【００３３】
また、参考例２の図５に示した結果を得る際の実験において、炉内温度を４００〜４２０℃として行っている。前述のように、ボトム領域膜厚面内均一性に最も影響を及ぼすのは、反応ガスの合計平均流速と炉内温度であり、合計平均流速は低速である方が、また炉内温度は高い方がボトム領域膜厚面内均一性は良好となる。従って、少なくとも炉内温度を４００℃とした場合に、合計平均流速を２２００ｃｍ/分以下とすれば、全領域で膜厚面内均一性を確実に３％以下とすることができ、また、少なくとも炉内温度を４００℃とした場合において、合計平均流速を１４７０ｃｍ/分以下とすれば、全領域で膜厚面内均一性を確実に２％以下とすることができ、少なくとも炉内温度を４００℃とした場合において、合計平均流速を７３０ｃｍ/分以下とすれば、全領域で膜厚面内均一性を確実に１％以下とすることができる。なお、本参考例においても、成膜温度は参考例１と同様、６００℃未満とすることが好ましいが、本参考例は参考例１よりも低温、例えば４４０℃以下として成膜しなければならないような場合にも適用できるという利点がある。
【００３４】
［参考例３］
（三塩化ホウ素の予備加熱）
本参考例における基板処理装置としてのホットウォール式のバッチ式縦型減圧ＣＶＤ装置の構造概略図を図６に示す。
【００３５】
基板処理装置の構成や、この基板処理装置を用いて半導体デバイス製造の一工程として基板上に成膜を行う方法については、三塩化ホウ素を供給するノズルとしてリターンノズルを用いる点以外は、前述の参考例１、２と同等なので、ここでは本参考例の特徴的部分であるリターンノズルについて主に説明する。なお、図６中、図１で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。
【００３６】
図６に例示したように、モノシランは、従来技術と同様に、ヒータと対向する領域より下方であって反応管下方に設けられたノズル１３によって反応炉１０内に供給し、三塩化ホウ素はリターンノズル１２を通して反応炉１０内に供給する。リターンノズル１２は、上記第１６の手段および第１７の手段におけるノズル管に該当し、反応炉１０内において、ヒータ６により加熱されるよう、ヒータ６と対向する領域より下方であって反応管下方のボート３の底部の高さからヒータ６と対向する領域内のボート３の頂部（ボート天板部分）の高さまでを往復しており、反応炉１０内におけるガス流路のウエハ４よりも上流側に三塩化ホウ素を放出する噴出口を有している。すなわち、リターンノズル１２は、ヒータ６と対向する領域を経由するＵ字型ノズルとなっている。リターンノズル１２中を通して反応炉１０内に供給される三塩化ホウ素は加熱された状態で反応炉１０内の上記流路の上流側に供給される。
【００３７】
図６におけるリターンノズル１２として、Ｕ字部分（反応炉１０底部からボート天板部分の高さまでの往復部分）の全長が２．６ｍ程度、内径が４ｍｍ程度である石英管を用い、反応炉１０内温度３９０℃、圧力７０Ｐａ、モノシランの流量５００ｓｃｃｍ、三塩化ホウ素の流量５ｓｃｃｍ、希釈ガス無し、という条件下で、ウエハ４上にボロンドープポリシリコン膜を形成したところ、三塩化ホウ素をノズル１３と同様の通常ノズルを通して供給した場合に較べて、膜厚面内均一性を約１０％改善することができた。
【００３８】
上記の結果は、反応炉１０内において加熱され、しかも長い流路を有するリターンノズル１２を使用することで、三塩化ホウ素が反応炉１０内に導入されてからボトム領域に達するまでの所要時間を大きくし、三塩化ホウ素がリターンノズル１２の管内壁によって加熱される時間を延ばすことで、三塩化ホウ素を十分に加熱してから反応炉１０内に供給し、反応炉１０内における三塩化ホウ素の分解を促進させたことによると考えられる。
【００３９】
また、リターンノズル１２内の三塩化ホウ素流量を減少させることや、リターンノズル１２の管内径を大きくして管内断面積を増加させることで、ノズル内の三塩化ホウ素の流速を遅くすることができ、三塩化ホウ素が加熱される時間を延ばすことで、三塩化ホウ素の分解を促進させることができる。
【００４０】
また、図６のリターンノズル１２以外にも、例えば、図７に示したように、Ｗ字形（図中の（ａ））、波状（図中の（ｂ））あるいは螺旋状（図中の（ｃ））のノズル管を用いても、上記と同様の膜厚面内均一性の改善が可能となる。すなわち、これらのノズル管をリターンノズル１２に代えて使用した場合に、これらのノズル管は、反応炉１０内において、ヒータ６と対向し、ヒータ６で加熱される部分と、ガス流路のウエハ４よりも上流側に三塩化ホウ素を放出する噴出口とを有し、従って、通常のノズルよりも長い全長を有しているので、このようなノズル管を使用することによって、ノズル管の多くの部分はヒータ６で加熱され、しかも、三塩化ホウ素がこのようなノズル管の内壁によって加熱されるので、三塩化ホウ素を十分に加熱してから反応炉１０内のガス流の上流側に供給することができ、その結果として、膜厚面内均一性を改善することができる。なお、図７中、矢印はガスの流れる方向を示し、各ノズル管の右側の端部が噴出口となっている。また、三塩化ホウ素を放出する噴出口の数は１つであってもよいし、複数であっても構わない。
【００４１】
［実施形態］
本実施形態における基板処理装置としてのホットウォール式のバッチ式縦型減圧ＣＶＤ装置の構造概略図を図８に示す。基板処理装置の構成や、この基板処理装置を用いて、半導体デバイス製造の一工程として基板上に成膜を行う方法については、三塩化ホウ素を供給するノズルとして長さの異なる複数本のノズルを用いる点と、ＢＣｌ３の分圧を制御する点以外は、前述の参考形態と同等なので、ここでは本実施形態の特徴的部分である、長さの異なる複数本のノズルと、ＢＣｌ３の分圧を制御する方法について主に説明する。なお、図８中、図１で示したものと同等なものには同符号を付し、その説明を省略する。
【００４２】
インナーチューブ２内側に三塩化ホウ素を導入するための石英ノズルは、長さの異なるものが複数本反応炉１０内に設置されており、三塩化ホウ素を複数箇所から途中供給することが可能であり、三塩化ホウ素ガス（ＢＣｌ３）の分圧を反応炉１０内各位置において制御することができる。また、モノシランを導入するためのノズルは反応管下方に設けられている。
【００４３】
三塩化ホウ素ガス（ＢＣｌ３）を供給する石英ノズルは合計５本設けられており、１本はモノシラン（ＳｉＨ４）を供給するノズルとともにヒータと対向する領域より下方であって反応管下方の炉口部（図中、左下）に設けられており、その他の４本は、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、１５０スロット目の位置に対応するように、それぞれ等間隔に設けられており、三塩化ホウ素を、反応炉１０内の複数箇所から途中供給可能に構成されている。
【００４４】
成膜の際、三塩化ホウ素の流量を減少させる、あるいは三塩化ホウ素を希釈することで、三塩化ホウ素分圧を低くするよう制御することができ、形成されるボロンドープシリコン膜の抵抗率面間（ウェハ間）均一性を改善することができる。また反応炉１０内に複数本設置された石英ノズルからの三塩化ホウ素流量を制御（三塩化ホウ素分圧を制御）することでも抵抗率面間均一性を改善することができる。
【００４５】
［実施例］
（三塩化ホウ素分圧の最適化）
図９に上記装置を用いて上記方法により複数枚のウェハにボロンドープシリコン膜を形成した際の抵抗率の三塩化ホウ素分圧依存性を示す。この場合に、モノシランの分圧は６０．０〜６９．３Ｐａであり、その流量は５００ｓｃｃｍであり、反応温度は３９０℃あるいは４５０℃である。
【００４６】
図９において、全領域、すなわち、トップ、センタ、ボトム領域（図８に表示、図中のＮｏはボート３のウェハ搭載スロット位置を示す）において、三塩化ホウ素分圧が０.７Ｐａ付近あるいはそれ以下の範囲（例えば、図９中の点０．０６Ｐａ、０．２Ｐａ）では、抵抗率の三塩化ホウ素分圧に対する変化の度合いは比較的小さく（図中、各点を結んだ曲線の勾配が比較的に緩やかであり）、三塩化ホウ素分圧が０.７Ｐａを超える領域では、抵抗率の三塩化ホウ素分圧に対する変化の度合いは急激に大きくなる（図中、各点を結んだ曲線の勾配が急になる）傾向が見られる。すなわち、三塩化ホウ素分圧を０.７Ｐａ程度以下として成膜を行えば、反応炉１０内で三塩化ホウ素が消費されることにより面間（ウェハ間）方向（垂直方向）に三塩化ホウ素分圧に分布ができたとしても、抵抗率の変化は少なく、抵抗率の面間均一性が良好であると言える。これに対し、三塩化ホウ素分圧が０.７Ｐａを超える範囲で成膜を行うと、反応炉１０内で三塩化ホウ素が消費されることにより面間（ウェハ間）方向（垂直方向）に三塩化ホウ素分圧に分布ができた場合に、抵抗率の変化は大きくなり、抵抗率の面間均一性が悪くなることが分かる。
【００４７】
よって、成膜時における反応炉１０内の三塩化ホウ素の分圧は、０.７Ｐａ以下とするのが好ましい。
【００４８】
図９からは、成膜時における反応炉１０内の三塩化ホウ素の分圧を、０．０６Ｐａ〜０.７Ｐａとするのが好ましいことが分かる。
【００４９】
図１０に抵抗率面間均一性の三塩化ホウ素分圧依存性を示す。ただし、図中、抵抗率面間均一性は抵抗率面間不均一量の百分率で表されている（縦軸の数値が小さいほど均一性が良い）。この場合に、モノシランの分圧は６０.０〜６９.３Ｐａであり、その流量は１００〜５００ｓｃｃｍであり、反応温度は４００〜４２０℃である。
【００５０】
図１０から、抵抗率面間均一性が三塩化ホウ素分圧の低下とともに改善されていくことが分かる。
【００５１】
上記の２つの結果から、抵抗率の変化が三塩化ホウ素分圧に対して急峻な領域（三塩化ホウ素分圧が０.７Ｐａを超える領域）では抵抗率面間均一性が悪く、抵抗率の変化が三塩化ホウ素分圧に対して緩やかな領域（０.７Ｐａ以下）まで三塩化ホウ素分圧を低下させることで、抵抗率面間均一性を１０％（１５０枚領域）から５％以下とすることが可能となり５０％以上改善することができる。抵抗率面間不均一量は、トップ、センタ、ボトム領域における抵抗率平均値の中の最大値から最小値を差し引き、全領域での抵抗率平均値の２倍で割った値を１００倍して算出した。
【００５２】
（反応炉内各位置における三塩化ホウ素分圧の最適化）
反応炉１０内に複数本設置された石英ノズルより、複数箇所から、三塩化ホウ素をそれぞれ分圧にして約０.１Ｐａ分途中供給する（全部で０.７Ｐａ）ことで、抵抗率面間均一性を１０％（１５０枚領域）から４％以下とすることが可能となり６０％以上改善することができる。
【００５３】
以上に説明したように、抵抗率の変化が三塩化ホウ素分圧に対して綬やかな領域（０.７Ｐａ以下）まで三塩化ホウ素分圧を低下させることにより、抵抗率面間均一性を１０％（１５０枚領域）から５％以下とすることが可能となり５０％以上改善することができる。また反応炉１０内に複数本設置された石英ノズルからの三塩化ホウ素流量を制御（三塩化ホウ素分圧を制御）することで抵抗率面間均一性をさらに改善することができ、生産性を大幅に向上させることが期待できる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の実施によって、モノシランと三塩化ホウ素とを使用し、ＣＶＤ法によってボロンドープポリシリコン膜を成膜する半導体デバイスの製造方法であって、膜厚面内均一性が良好なボロンドープポリシリコン膜の作製を可能とする半導体デバイスの製造方法および基板処理装置を提供することができる。
【００５５】
また、本発明の実施によって、モノシランと三塩化ホウ素とを使用し、ＣＶＤ法によってボロンドープシリコン膜を成膜する半導体デバイスの製造方法であって、抵抗率面間均一性が良好なボロンドープシリコン膜の作製を可能とする半導体デバイスの製造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】  反応ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）と三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）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】  膜厚面内均一性のウェハスロット位置依存性を示す図である。
【図３】  減圧ＣＶＤ法による成膜手順を説明する図である。
【図４】  ボトム領域膜厚面内均一性の炉内温度依存性を示す図である。
【図５】  膜厚面内均一性のモノシラン、三塩化ホウ素合計流量依存性を示す図である。
【図６】  参考形態である、反応ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）と三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）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７】  参考形態におけるノズル管の形状例を示す図である。
【図８】  反応ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）と三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）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９】  抵抗率の三塩化ホウ素分圧依存性を示す図である。
【図１０】  抵抗率面間均一性の三塩化ホウ素分圧依存性を示す図である。
【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…ウェハ、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…反応炉、１１…ステンレス製蓋、１２…リターンノズル、１３…ノズル。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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