(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイス用の薄膜を形成する為の薄膜形成装置において、複数のガスを混合する部分の上流において反応ガスの供給を遮断する第一のバルブと反応助剤ガスの供給を遮断する第二のバルブとを設け、更に、前記第一のバルブにより前記反応ガスの供給を遮断する前に前記第二のバルブにより前記反応助剤ガスの供給を遮断するよう前記第一のバルブ及び前記第二のバルブの遮断のタイミングを制御する制御手段を設けたことを特徴とする半導体デバイス用の薄膜形成装置。
【請求項２】
前記半導体デバイス用の薄膜は複数の薄膜からなる積層膜であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記反応ガスはＳｉと、Ｐ又はＢの少なくともいずれか１つとを含むガスであり、該反応助剤ガスはＯを含むガスである請求項１又は請求項２に記載の半導体デバイス用の薄膜形成装置。
【請求項４】
複数のガスを反応室内に導入して薄膜を形成する半導体デバイス用の薄膜を形成する薄膜形成方法において、
成膜終了の為に反応ガスの供給を遮断する前に反応助剤ガスの供給を遮断することを特徴とする半導体デバイスの薄膜形成方法。
【請求項５】
前記半導体デバイス用の薄膜は複数の薄膜からなる積層膜であることを特徴とする請求項４に記載の薄膜形成方法。
【請求項６】
前記反応ガスはＳｉと、Ｐ又はＢの少なくともいずれか１つとを含むガスであり、該反応助剤ガスはＯを含むガスである請求項４又は請求項５に記載の半導体デバイス用薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＤＲＡＭ等の半導体メモリーに代表される半導体デバイス用の薄膜を形成する為の薄膜形成装置及び薄膜形成方法の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＲＡＭ等の半導体デバイスの製造工程はトランジスタの形成工程とキャパシタの形成或いは多層配線の形成工程を含んでいる。
【０００３】
このうち、キャパシタや多層配線の形成に際してはＰＳＧ（燐をドープした酸化シリコン膜）、ＢＳＧ（硼素をドープした酸化シリコン膜）、ＢＰＳＧ(燐と硼素をドープした酸化シリコン膜)を一つの成膜装置で一層形成したり、多数積層する工程がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような膜は、例えばキャパシタ形成の際のエッチングマスクとしても使用されるため、ふっ酸（ＨＦ）による洗浄を行う。図７は５つのＰＳＧ膜形成後、ふっ酸によるクリーニングを行い、それを覆うように多結晶シリコン膜を堆積した時の積層膜の様子を示している。図７のように、このとき積層された薄膜の境界部分でオーバーエッチングが生じ、その結果、この積層膜を覆う多結晶シリコン膜を形成すると多結晶シリコン膜の形状不良が生じる。これはデバイスの信頼性を劣化させる原因になる。
【０００５】
本発明の目的は、積層膜の境界部分にオーバーエッチングが生じ難い半導体デバイス用の薄膜形成装置及び薄膜形成方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、半導体デバイス用の薄膜を形成する為の薄膜形成方法及び装置において、複数のガスを混合する部分の上流において反応ガスの供給を遮断する前に反応助剤ガスの供給を遮断すること及びその為のバルブを設けたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態による薄膜形成装置を示す模式図である。排気可能なチャンバ１０により囲まれた空間内には基板としての半導体ウエハ２を被成膜面を下に向けて保持し所定の温度に加熱する為の基板ホルダー１と反応ガス及び反応助剤ガスを導入する為のガス吹き出しシャワーヘッド３が設けられている。シャワーヘッド３には反応ガス及び反応助剤ガスの混合ガスを導入する為の混合ガス導入管４が接続され、混合ガス導入管４の上流は混合部１１において反応ガスを導入する為の反応ガス導入管５及び反応助剤ガスを導入する為の反応助剤ガス導入管６が接続されている。そして、本実施の形態では、導入管６には反応ガスの供給をバルブ８によって遮断する２秒乃至１０秒、より好ましくは４〜６秒前に、反応助剤ガスの供給を遮断する為の工程専用の遮断バルブ７が設けられている。
【０００８】
成膜工程は以下の通りである。
【０００９】
まず排気口に接続された排気ポンプ９によりチャンバ１０内を一旦排気し、基板を３００℃〜７００℃に加熱する。反応ガス導入管５よりバルブ８を介してＳｉ（ＯＣ2Ｈ5）4即ちＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）やＳｉＨ4等のＳｉを含むガスを0.１〜4.０ｇ／ｍｉｎ程度の流量で、（Ｃ2Ｈ5Ｏ）3Ｂ即ちＴＥＢ（ほう酸トリエチル）や（ＣＨ3Ｏ）3Ｂ即ちＴＭＢ（ほう酸トリメチル）や（ＣＨ3Ｏ）3ＰＯ即ちＴＭＯＰ（りん酸トリメチル）、Ｂ2Ｈ6やＰＨ3等のＰやＢを含むガスを0.１〜1.０ｇ／ｍｉｎの流量で混合した混合ガスをチャンバ１０内に導入する。これら混合ガスの導入開始と同時に、反応助剤ガス導入管６よりバルブ７を介して酸素ガスや、オゾン（Ｏ3）を含むガス等のＯを含むガスの導入を開始する。Ｏを含むガスの流量は例えば５〜１０ｓｌｍ程である。こうして常圧ＣＶＤにより燐及び／又は硼素がドープされた酸化シリコン膜の堆積が基板上で開始される。所定の成膜時間が過ぎた時ＳｉとＰ（及び／又はＢ）とを含むガスの供給を反応ガス供給系に設けられたバルブ８を用いて遮断する数秒前に、反応助剤ガスの供給を遮断バルブ７を用いて遮断する。このようなバルブの開閉のタイミングの制御は、機械的に２つのバルブを連結するか、電気的に2つのバルブの開閉タイミングを制御すること（例えば遅延回路やコンピュータプログラムによる制御手段）によって、容易に実行できる。
【００１０】
本実施の形態によれば、ＢやＰの偏析が抑制でき均一な組成のＰＳＧ、ＢＳＧ、ＢＰＳＧ膜が得られる。
【００１１】
そして上述した工程を複数回繰返せば、界面においてＢやＰの偏析のない積層膜を形成することができる。
【００１２】
図2は本発明の別の実施形態による薄膜形成装置を示す模式図である。この装置は5つの成膜領域１０Ａ〜１０Ｅを有しており、5つの膜を積層する場合に好適である。
【００１３】
各成膜領域には共通の反応ガス供給管１５から各枝管に設けられた５つのバルブ８Ａ〜８Ｅを介してＳｉを含むガスとＰ及び／又はＢを含むガスとの混合ガスが供給される。１６は混合ガスの供給バルブであり、その上流にはＳｉを含むガスのガス源１７と、Ｐを含むガスのガス源１８と、Ｂを含むガスのガス源１９と、が接続されている。
【００１４】
酸素やオゾン等のＯを含む反応助剤ガスは、ガス源１４より供給バルブ１３を介して共通供給管１２から各枝管に設けられた開状態の遮断バルブ７Ａ〜７Ｅを介して５つの成膜領域１０Ａ〜１０Ｅに供給される。5つの領域に順次基板を移送して連続成膜を行えば同一基板上に積層膜が得られる。このように複数の領域で形成した膜を積層する方が、１つの領域で膜を積層する場合よりも、処理のスループットが向上し、信頼性も上がる。
【００１５】
各領域での成膜終了時には、前述した実施例同様にバルブ８Ａ〜８Ｅを閉じる数秒前に反応助剤ガスの遮断バルブ７Ａ〜７Ｅを閉じるようにこれらのバルブを制御する。更に、その後バルブ１３，１６を同時又は順次閉じる。
【００１６】
図3は更に別の実施の形態を示している。図3はテーブル２２の上に基板としてのウエハを加熱できる5つのウエハサセプタ２１が設けられており、テーブル２２が時計周りに回転することによって５つの成膜領域１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅにて薄膜の形成がなされる薄膜形成装置である。各成膜領域はチャンバ10内にあって互いに雰囲気は連通しているが、それぞれの領域には図1に示したものと同様のシャワーヘッドが設けられており反応ガスと反応助剤ガスとの混合ガスがウエハに向かって吹き出し、化学気相堆積が行われる。シャワーヘッドへのガス供給系は図2に示したものと同じであり、バルブ７Ａ〜７Ｅにより反応ガスの供給遮断前に反応助剤ガスの供給を遮断するように制御される。この装置によりウエハが5つの成膜領域１０Ａ〜１０Ｅを経ると５層の積層膜が形成される。この積層膜は5つの膜ともに同じ材料からなるので5つに区別できるものではなく、換言すれば単膜ということもできる。２３はウエハをサセプタ２１上に配置したり、サセプタ２１から取り外したりする為のウエハ搬送ロボットである。
【００１７】
本実施の形態においても、パーティクルをより減少させるために、図1と同様にウエハの被成膜面を下方にして、成膜を行ってもよい。
【００１８】
（実施例１）
図3に示した本発明による薄膜形成装置を用意した。
【００１９】
反応ガスとして、ＴＥＯＳ、ＴＭＯＰを用意した。また反応助剤ガスとしてオゾンと酸素ガスとを用意した。基板としてのＳｉウエハをウエハサセプタ２１に搭載し、チャンバ１０内を一旦減圧した。そして、基板温度が４００℃になるようにウエハサセプタのヒーターに通電した。
【００２０】
ガス源１７から各成膜領域にＴＥＯＳガスを0.１〜4.０ｇ／ｍｉｎ、ＴＭＯＰガスをガス源１８から0.１〜1.０ｇ／ｍｉｎ、オゾンを１〜５ｍｏｌ％含む酸素ガスをガス源１４から7.５ｓｌｍの流量で各成膜領域に導入した。ガスの導入開始から膜厚が８０〜１００ｎｍになるまで反応ガスと反応助剤ガスとを供給し続けた後、先ずバルブ７Ａ〜７Ｅを閉じ数秒後にバルブ８Ａ〜８Ｅを閉じ、その後バルブ１３，１６を閉じて成膜を終了させた。
【００２１】
テーブル２２を回転させて次の成膜領域にウエハを移動させ同様の処理を行った。そして5つの領域にてＰＳＧの成膜を行った。
【００２２】
図４はこうして得られたＰＳＧ膜を5層積層したものをパターニングした後、ふっ酸で洗浄し、多結晶シリコンを成膜した時の様子を模式的に示している。
【００２３】
前述した図７と比較すればわかるように、積層膜の界面においてオーバーエッチングが防止され、多結晶シリコンの形状不良が消失していることがわかった。
【００２４】
（実施例２）
図3に示した本発明による薄膜形成装置を用意した。
【００２５】
反応ガスとして、ＴＥＯＳ、ＴＭＯＰ、ＴＭＢを用意した。また反応助剤ガスとしてオゾンと酸素ガスとを用意した。基板としてのＳｉウエハをウエハサセプタ２１に搭載し、チャンバ１０内を一旦減圧した。そして、基板温度が４００℃になるようにウエハサセプタ２１のヒーターに通電した。
【００２６】
ガス源１７から各成膜領域にＴＥＯＳガスを0.１〜4.０ｇ／ｍｉｎ、ＴＭＯＰガスをガス源１８から0.１〜1.０ｇ／ｍｉｎ、ＴＭＢガスをガス源１９より0.１〜1．０ｇ／ｍｉｎ、オゾンを１〜５ｍｏｌ％含む酸素ガスをガス源１４より7.５ｓｌｍ導入して各成膜領域で８０〜１００ｎｍの厚さになるまで反応ガスと反応助剤ガスとを供給した後先ずバルブ７Ａ〜７Ｅを閉じ数秒後にバルブ８Ａ〜８Ｅを閉じて薄膜を形成した。テーブル２２を回転させて次の成膜領域にウエハを移動させ同様の処理を行った。そして5つの領域にてＢＰＳＧの成膜を行った。
【００２７】
こうして複数のウエハを処理して得られた１つのＢＰＳＧ膜の原子組成を分析してみた。
【００２８】
図５は、上記ＢＰＳＧ膜をＳＩＭＳ分析し、Ｓｉ、Ｂ、Ｐ元素の含有量を測定したグラフを示している。
【００２９】
（比較例）
図3の装置を用いてバルブの開閉タイミング以外の成膜条件を実施例２と同様に設定し成膜を行った。本比較例では反応助剤ガスの遮断バルブ７Ａ〜７Ｅを閉じるタイミングを、反応ガスの遮断バルブ８Ａ〜８Ｅを閉じるタイミングと一致させて、ＢＰＳＧ膜を5層積層した積層膜を形成した。
【００３０】
図６は、こうして得られたＢＰＳＧ膜をＳＩＭＳ分析し、Ｓｉ、Ｂ、Ｐ元素の含有量を測定したグラフを示している。
【００３１】
図５と図６に示したデータからも明らかなように、比較例の方法ではＢＰＳＧ薄膜の界面でＢ及びＰ濃度が増えていることがわかる。このような燐や硼素の偏析により界面でのふっ酸によるエッチングレートが界面以外の部分におけるエッチングレートより高くなりオーバーエッチングされてしまうようである。これは、チャンバ内に吸着していたＰやＢを含むガスの影響により反応ガス供給終了直後に異常な成膜現象が生じた為と考えられる。
【００３２】
これに対して、本実施例によれば、ガスの分解を促進し、又、ＰやＢの膜中への取り込みを促進する役目を担う反応助剤ガスの供給を反応ガスの供給遮断の数秒前に専用の遮断バルブ７（７Ａ〜７Ｅ）を用いて遮断するために反応助剤ガスのチャンバ内における相対的濃度が一時的に低下して、異常な成膜過程によるＰやＢの偏析を抑制し、膜厚方向に均一な組成の膜が得られる。こうして、ふっ酸処理を行っても部分的なオーバーエッチングが防止され、その後形成される多結晶シリコンの形状不良が抑制される。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｂ及び／又はＰのような不純物の偏析が抑制され膜厚方向に均一な単膜又は積層膜が形成でき、表面又は境界部分にオーバーエッチングが生じ難くなる。こうして、その後形成される膜の形状不良がなくなりデバイスの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施の形態による薄膜形成装置の模式図。
【図２】本発明の別の好適な実施の形態による薄膜形成装置の模式図。
【図３】本発明の更に別の好適な実施の形態による薄膜形成装置の模式図。
【図４】本発明による薄膜形成装置を用いてＰＳＧ膜を5層積層しパターニングした後、ふっ酸で洗浄し多結晶シリコンを成膜した時の様子を示す模式図。
【図５】本発明による薄膜形成装置を用いて得られたＢＰＳＧ膜の原子組成比を示す図。
【図６】比較例により得られたＢＰＳＧ膜の原子組成比を示す図。
【図７】従来の薄膜形成装置を用いてＰＳＧ膜を5層積層しパターニングした後、ふっ酸で洗浄し多結晶シリコンを成膜した時の様子を示す模式図。
【符号の説明】
１  基板ホルダー
２  基板
３  シャワーヘッド
４  混合ガス導入管
５  反応ガス導入管
６  反応助剤ガス導入管
７  遮断バルブ
８  バルブ
９  排気ポンプ
１０  チャンバ
１１  混合部
【図１】
0003806753.tif 000002
【図２】
0003806753.tif 000003
【図３】
0003806753.tif 000004
【図４】
0003806753.tif 000005
【図５】
0003806753.tif 000006
【図６】
0003806753.tif 000007
【図７】
0003806753.tif 000008