JP4131677B2 - 半導体デバイスの製造方法及び基板処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学気相成長（ＣＶＤ）法により半導体基板等の表面に薄膜を形成する半導体デバイスの製造方法に係り、特に、基板に成膜される膜厚が、フッ素ガスクリーニング後の残留ガスにより低下するのを抑制する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体デバイスの製造方法には、成膜工程で反応炉内に付着した膜を除去するクリーニング工程が取り入れられている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、ボートによって保持された複数の基板をＣＶＤ炉内でヒータ加熱することができるＣＶＤ装置において、フッ素系ガスである三弗化窒素（以下、ＮＦ₃という）ガスを用いてＣＶＤ炉内をドライクリーニングする方法が開示されている。
【０００３】
ＣＶＤ炉内の温度は５００℃〜６５０℃、圧力は１，３３０Ｐａ〜２６，６００Ｐａ（１０〜２００Ｔｏｒｒ）に設定されている。ＣＶＤ炉内にボートを挿入した状態で、反応炉内にＮＦ₃ガス又はＮＦ₃ガスを含むガスを流入させることにより、反応炉やボートに付着する膜がクリーニングされる。反応炉やボートに付着する膜は、シリコン膜、ポリシリコン膜、ドープトシリコン膜等のＣＶＤ膜である。
ＮＦ₃ガスの他に三弗化塩素（以下、ＣｌＦ₃という）ガスを用いることもできるが、ＣｌＦ₃ガスが強い腐食性を有することから炉内のダメージの少ないＮＦ₃ガスが主に使用されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１２４８７０号公報 （発明の詳細な説明の欄、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フッ素系ガスを用いたドライクリーニングは、メンテナンスフリーであるという利点がある反面、クリーニング後の成膜工程において、基板上に成膜する時に膜厚の低下現象が発生するという問題があった。このことは、熱ＣＶＤ法のような熱化学反応を用いて成膜する場合において、特に問題となっていた。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮し、クリーニング工程を取り入れてもクリーニング工程後の成膜工程において、成膜時に膜厚の低下現象が発生しない半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、基板を収容した反応炉内に成膜ガスを供給して熱化学反応により前記基板上に薄膜を形成する成膜工程と、前記基板を収容しない状態の前記反応炉内にフッ素系ガスを供給して、熱化学反応により前記成膜工程で前記反応炉内に付着した前記薄膜を除去するクリーニング工程と、前記クリーニング工程後に前記基板を収容しない状態の前記反応炉内に、炉内圧力を成膜工程における炉内圧力よりも高くした状態でＮＨ₃ガスを供給することによりパージを行うパージ工程と、を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法である。
【０００８】
第１の発明によれば、フッ素系ガスを用いたクリーニング工程後に、炉内圧力を成膜工程における圧力よりも高くした状態でＮＨ₃ガスを供給するパージ工程を有しており、この高圧で行うＮＨ₃パージによりクリーニングガスの残留物を十分に分解して除去できるので、熱化学反応で成膜する場合において、クリーニング工程後の成膜工程での膜厚の低下を抑制することができる。なお、フッ素系ガスはフッ素の含まれるガスが全て対象になり、例えばＮＦ₃ガスやＣｌＦ₃がある。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記パージ工程後に前記基板を収容しない状態の前記反応炉内に炉内圧力を前記パージ工程における炉内圧力よりも低くした状態で成膜ガスを供給して、熱化学反応により前記反応炉内に薄膜を形成するコーティング工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法である。
【００１０】
第２の発明によれば、パージ工程後に、炉内圧力をパージ工程における圧力よりも低くした状態で成膜ガスを供給して、反応炉内にコーティング膜を形成するコーティング工程を設けたので、クリーニング後の成膜工程において膜厚の低下をさらに抑制することができる。
【００１１】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記成膜工程では、成膜ガスとして、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂とＮＨ₃とを含むガスを用いて熱ＣＶＤ法により基板上に窒化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である。
第３の発明のように、フッ素系ガスを用いたクリーニング工程後に高圧（成膜工程よりも高い圧力）で行うＮＨ₃パージは、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂とＮＨ₃とを熱ＣＶＤ法を用いて基板上に窒化シリコン膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜）を形成する場合、特に有効となる。
【００１２】
第４の発明は、基板上に熱化学反応により薄膜を形成する処理を行う反応炉と、反応炉内に成膜ガスを導入する供給口と、反応炉内にクリーニングガスとしてのＮＦ₃ガスなどのフッ素系ガスを供給する供給口と、反応炉内にパージガスとしてのＮＨ₃ガスを供給する供給口と、反応炉内を排気する排気口と、基板を収容しない状態の反応炉内に熱化学反応によるクリーニングのためにＮＦ₃ガスなどのフッ素系ガスを供給し、その後、炉内圧力を成膜時の圧力よりも高くして基板を収容しない状態の反応炉内にパージのためにＮＨ₃ガスを供給するよう制御する制御手段と、を有することを特徴とする基板処理装置である。
第４の発明によれば、クリーニングのためにＮＦ₃ガスなどのフッ素系ガスを供給し、その後、炉内圧力を成膜時の圧力よりも高くしてパージのためにＮＨ₃ガスを供給するよう制御する制御手段を有する基板処理装置を使用して、基板上に薄膜を形成するようにするので、第１の発明の半導体デバイスの製造方法を容易に実施できる。
【００１３】
第５の発明は、第４の発明において、前記制御手段は、基板を収容しない状態の反応炉内に、熱化学反応によるクリーニングのためにＮＦ₃ガスなどのフッ素系ガスを供給し、その後、炉内圧力を成膜時の圧力よりも高くしてパージのためにＮＨ₃を供給し、更にその後、炉内圧力をパージ時の圧力よりも低くしてコーティングのために成膜ガスを供給するよう制御することを特徴とする基板処理装置である。
第５の発明によれば、制御手段に、さらにパージ後コーティングのために成膜ガスを供給するよう制御する機能を付けたので、第２ないし第４の発明の半導体デバイスの製造方法も容易に実施できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。図１に実施の形態による基板処理装置の概略構成図を示す。基板処理装置は、半導体デバイスの製造工程の一工程として、基板上に薄膜を形成する方法を実施するための縦型熱ＣＶＤ装置である。縦型熱ＣＶＤ装置は、ウェーハ上に熱化学反応により薄膜を形成する処理を行う反応炉１と、反応炉１の下に炉口ゲートバルブ８を介して配置された真空予備室（ロードロック室）１３とを備える。
【００１５】
反応炉１は、ヒータ１４と、ヒータ１４により内部が加熱される二重反応管２と、二重反応管２の底部に接続され二重反応管２を支持する炉口フランジ６とから構成される。ヒータ１４の内側に二重反応管２を構成する石英製のアウタチューブ３とインナチューブ５とが設けられる。アウタチューブ３は頭部が閉じ底部が開放している有頭筒形をしている。インナチューブ５は、頭部も底部も開放した筒状をしており、アウタチューブ３の内部に上端が開放された炉空間４を構成するように同軸に配設される。この炉空間４は、アウタチューブ３の内部空間のみならず、アウタチューブ３とインナチューブ５との間隙に形成される筒状の排気空間７、及び炉口フランジ６の内部空間を含む。アウタチューブ３、インナチューブ５は炉口フランジ６上に立設され、アウタチューブ３と炉口フランジ６間はＯリング１６により密封されている。またインナチューブ５は、炉口フランジ６内に設けた支持部５ａ上に載置されている。炉口フランジ６の下端開口は、開閉自在な炉口ゲートバルブ８により気密に閉塞される。
【００１６】
炉口フランジ６は、反応管２と接続されることにより反応炉１の炉口部を構成し、ステンレスやハステロイなどの金属で筒状に形成される。炉口フランジ６のインナチューブ５よりも下方の位置にインナチューブ５と連通するガス供給口１５が設けられる。また炉口フランジ６の排気空間７内の下方位置に排気空間７と連通するガス排気口１７が設けられている。したがって、ガス供給口１５とガス排気口１７とは、炉空間４を介して連通することになる。なお、ガス供給口１５は複数個設けられ、複数のガス種（成膜ガス、ＮＦ₃、ＮＨ₃、Ｎ₂ガス）を反応管２内に供給するようになっているが、図示例では便宜上、１個のみを示している。上述した反応管２、ヒータ１４及び炉口フランジ６はケーシング２４内に納められるようになっている。また、アウタチューブ３とケーシング２４との間には断熱材１８が設けられている。炉口ゲートバルブ８が炉口フランジ６下端開口を完全に密閉した状態で、真空ポンプ１９によりガス排気口１７を通して反応管２内の炉空間４を真空引きできるよう、またガス供給口１５を通して供給されたガスの排出を行うことができるよう構成されている。
【００１７】
真空予備室１３は、反応炉１の反応管２内を真空もしくは所定の減圧状態に保ったまま反応管２に対してボート１１の出し入れを行うことができるようになっている。そのために、真空ポンプ１９によりガス排気口２１を通してボート１１が存在する空間２３を真空引きできるよう、またガス供給口２５を通して供給されたガスの排出を行うことができるよう構成されている。真空予備室１３内には、炉口シールキャップ１２にボート支持台９を介して立設されたボート１１が配置され、ボート１１には反応炉１で処理されるウェーハ１０が水平姿勢で多段に装填される。ボート１１は、ボートエレベータ４０が上昇することにより、炉口シールキャップ１２、ボート支持台９とともに上昇し、炉口ゲートバルブ８が開けられ開状態にある炉口部を通過し、インナチューブ５の内部に挿入（ロード）される。ボート１１が所定の位置に到達すると、反応炉１の炉口部となる炉口フランジ６の下端開口は炉口シールキャップ１２により蓋をされ、炉口シールキャップ１２に設けたＯリング２０によって炉空間４は密閉状態となる。また、ボートエレベータ４０でボート１１を下降して反応炉１内から抜き取ることにより、ウェーハ１０はアンロードされる。ウェーハをアンロード後、炉口フランジ６の下端開口の炉口ゲートバルブ８を閉めることより炉空間４は再び密閉状態となる。
【００１８】
ガス供給口１５，２５にはそれぞれガス供給口１５，２５を開閉したり、流量を調整したりするためのバルブ２７，２９が設けられ、ガス排気口１７，２１にもそれぞれガス排気口１７，２１を開閉するためのバルブ３１，３３が設けられている。
【００１９】
更に、反応炉は、図２に模式的に示すように、この反応炉を構成する各部の動作制御を司る制御手段２２を備えており、この制御手段２２の制御によって、後述する成膜工程、ＮＦ₃クリーニング工程、ＮＨ₃パージ工程、コーティング工程が行われる。したがって、制御手段２２は、ボートエレベータ４０や炉口ゲートバルブ８やヒータ１４を制御してボートを昇降したり、反応炉内温度を調整したりする。また、制御手段２２は、バルブ３１や真空ポンプを制御して反応炉１内を真空排気したり、反応炉１内の圧力を後述する所定の圧力に制御したりする。また、ガス供給口１５、ここでは３個のＮＦ₃ガス供給口１５ａ、ＮＨ₃ガス供給口１５ｂ、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス供給口１５ｃにそれぞれ設けたバルブ２７ａ、２７ｂ、２７ｃを制御して、反応炉１内にウェーハ１０を収容した状態で熱化学反応を利用した熱ＣＶＤ法による成膜のために成膜ガスを供給したりする。また、反応炉１内にウェーハ１０を収容しない状態で熱ＣＶＤ法によるクリーニングのためにＮＦ₃を供給したり、その後炉内圧力を成膜時の圧力より高くしてパージのためにＮＨ₃を供給したり、更にその後炉内圧力をパージ時の圧力より低くしてコーティングのために成膜ガスを供給したりする機能等を有している。
【００２０】
次に、この縦型反応炉１により半導体デバイスの製造工程の一工程として基板上にＳｉ₃Ｎ₄膜を形成する方法の一例について説明する。工程としては、主として、
（１）縦型反応炉１内に成膜ガスを供給しウェーハ１０上に薄膜を形成する成膜工程、
（２）ウェーハ１０が収容されていない状態の反応炉１内にＮＦ₃ガスを供給し、成膜工程で反応炉１内に付着した薄膜を除去するクリーニング工程、
（３）クリーニング工程後にウェーハ１０が収容されていない状態の反応炉１内に、炉内圧力を成膜工程における炉内圧力より高くした状態でＮＨ₃ガスを供給してパージするパージ工程、
（４）パージ工程後にウェーハ１０を収容しない状態の反応炉１内に、炉内圧力をパージ工程における炉内圧力よりも低くした状態で成膜ガスを供給し反応炉１内に薄膜を形成するコーティング工程
が挙げられる。以下、順にこれらの工程について説明する。
【００２１】
（成膜工程）
図３を用いて成膜工程について説明する。成膜工程では、先ず、制御手段２２（図２参照）によって炉口ゲートバルブ８（図１参照）を開き、ボートエレベータ４０を上昇させることにより、多数のウェーハ１０を保持したボート１１を上昇させ、ウェーハ１０を反応炉１の反応管２内へロードする。
【００２２】
ボート１１が炉内の所定の処理位置に到達すると、炉口シールキャップ１２は反応炉１の炉口部を気密に閉塞し、炉空間４は密閉状態となる。その後、制御手段２２でバルブ３１や真空ポンプ１９等を制御して炉空間４のガスを吸引し、炉空間４を真空状態もしくは所定の減圧状態とする。次いで、炉空間４が真空もしくは所定の減圧状態となったら、制御手段２２でヒータ１４を制御して炉空間４の温度を所定の成膜温度にする。なお、ヒータ１４による炉空間４の加熱は炉空間４を真空状態もしくは所定の減圧状態とする前から行ってもよいし、ウェーハ１０を反応炉１内にロードする前から行ってもよい。
【００２３】
ウェーハ温度が成膜温度に達し、安定したら、成膜ガスとしてＳｉＨ₂Ｃｌ₂（ジクロルシラン：ＤＣＳ）とＮＨ₃（アンモニア）を、制御手段２２の制御により、ガス供給口１５ｃ、１５ｂから炉空間４に流入させ、熱ＣＶＤ法によりウェーハ１０上にＳｉ₃Ｎ₄（窒化シリコン膜）を形成する。この際、炉空間４にはガス供給口１５ｃ、１５ｂより成膜ガスを供給しつつ、ガス排気口１７より排気した状態とする。この場合は、次に示すような反応が起こり、Ｓｉ₃Ｎ₄膜が形成される。
１０ＮＨ₃＋３ＳｉＨ₂Ｃｌ₂→Ｓｉ₃Ｎ₄＋６ＮＨ₄Ｃｌ＋６Ｈ₂
このうち、反応生成物は主にＮＨ₄Ｃｌである。ＮＨ₄Ｃｌは不図示の水トラップ内で冷却され、排気ガスから析出、除去される。
【００２４】
なお、Ｓｉ₃Ｎ₄膜を形成する成膜条件は次の通りである。
炉内温度：７５０±５０℃
炉内圧力：１３．３〜１３３Ｐａ（０．１〜１．０Ｔｏｒｒ）
また、成膜ガスとしてはＳｉＨ₂Ｃｌ₂＋ＮＨ₃の代わりに、ＢＴＢＡＳ（ビスターシャリーブチルアミノシラン）＋ＮＨ₃、Ｓｉ₂Ｃｌ₆＋ＮＨ₃や、ＳｉＣｌ₄＋ＮＨ₃を用いてもよい。
【００２５】
次いで、成膜が終了した後、制御手段２２の制御により、ガス供給口１５より反応炉１内にＮ₂等の不活性ガスを供給しつつ真空ポンプ１９によりガス排気口１７より排気することで、アウタチューブ３内の残留ガスをガス排気口１７から排気する。
最後に、成膜されたウェーハ１０を保持したボート１１を真空予備室１３内の空間２３へ移し（アンロードし）、炉口ゲートバルブ８（図１参照）を閉じる。ウェーハ１０が所定の温度まで冷却された後、ウェーハ１０を回収する。
このような成膜工程を所定バッチ繰り返していくと、反応炉１内に膜が付着していく。この付着した膜を次のクリーニング工程で除去する。
【００２６】
（クリーニング工程）
図４を用いてクリーニング工程について説明する。クリーニング工程では、先ず、炉口ゲートバルブ８（図１参照）を開き、不図示のボートエレベータを上昇させることによりウェーハ１０を保持しない空のボート１１を反応炉１の反応管２内にロードする。ボート１１が反応炉１内の所定の位置に到達すると、炉口シールキャップ１２は反応炉１の炉口部を気密に閉塞し、炉空間４は密閉状態となる。その後、制御手段２２でバルブ３１や真空ポンプ１９等を制御して炉空間４を真空もしくは所定の減圧状態にし、真空もしくは所定の圧力になったら、制御手段２２でヒータ１４を制御して炉空間４の温度を所定のクリーニング温度にする。なお、ヒータ１４による炉空間４の加熱は、炉空間４を真空状態もしくは所定の減圧状態とする前から行ってもよいし、ボート１１を反応炉１内にロードする前から行ってもよい。炉空間４がクリーニング温度に達し、安定化したら制御手段２２でバルブ２７ａを制御してガス供給口１５ａよりＮＦ₃ガスを炉空間４に流入させる。この際、炉空間４にはガス供給口１５ａよりＮＦ₃ガスを供給しつつガス排気口１７より排気した状態とする。
【００２７】
クリーニングガスとしては、フッ素系ガスであるＮＦ₃ガス又はＮＦ₃ガスを含むガスを用いる。フッ素系ガスを用いるので、ＨＦ（弗化水素）溶液や、ＤＩＷ（純粋）等のウエットクリーニングを行う際に必要であった石英反応管の脱着を行わなくてもよい。フッ素系ガスは、ＣｌＦ₃でもよいが、ＮＦ₃ガス又はＮＦ₃ガスを含むガスを用いると、ＣｌＦ₃とは違い塩素分を含まないので、腐食性や汚染性が少なく、石英表面へのダメージが少ない。なお、ＮＦ₃はＣｌＦ₃よりも分解温度が高く、５００℃以上の炉内温度を必要とする。
【００２８】
次に、ＮＦ₃ガスを用いた場合のクリーニング条件について説明する。クリーニング時の炉内温度は累積膜厚と装置ダウンタイムとの関係上、５００℃〜６５０℃で実施するとよい。また、クリーニング時の炉内圧力を１，３３０Ｐａ〜６６，５００Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ〜５００Ｔｏｒｒ）程度にすることにより、最適な結果が得られている。
【００２９】
すなわち、ＮＦ₃は分解温度が高く、５００℃未満だとエッチングが行えない。また、炉内温度を高くしすぎると炉口フランジ６等から構成される炉口部金属部品の温度も上昇し腐食が進む。特に炉内温度を６５０℃より大きくすると、炉口部金属部品、例えばハステロイの温度がその限界温度（２００℃）を越えてしまい腐食してしまう。したがって、クリーニング時の炉内温度は、５００℃〜６５０℃が好ましい。
また、圧力が１，３３０Ｐａ未満だとエッチング速度が遅くなり実用的なエッチングレートが得られない。反対に、圧力を６６，５００Ｐａより大きくすると、圧力コントロールが困難となる。したがって、クリーニング時の炉内圧力は１，３３０Ｐａ〜６６，５００Ｐａとするのが好ましい。
【００３０】
ところで、ＮＦ₃ガスは熱分解により以下のように反応してＳｉ₃Ｎ₄膜の除去を実現する。
Ｓｉ₃Ｎ₄＋４ＮＦ₃→３ＳｉＦ₄＋４Ｎ₂
この反応式で、ＳｉＦ₄はガスとして排出される。
【００３１】
（パージ工程）
次にパージ工程について説明する。パージ工程は、クリーニング工程後に、クリーニング工程と連続して行う。すなわち、図４に示すように、クリーニング工程同様、反応炉１内には空のボート１１が収容された状態で行う。パージ工程では、先ず、制御手段２２により、炉空間４の圧力を成膜工程における炉内圧力よりも高い所定の圧力とするとともに、炉空間４の温度を所定の温度とする。炉空間４が所定の温度、圧力となったら、制御手段２２の制御により、ガス供給口１５ｂから炉空間４内にＮＨ₃ガスを供給して、反応炉１内のクリーニング工程で炉空間４内に残留した残留ガスを分解してガス排気口１７から排出する。この際、炉空間４にはガス供給口１５ｂよりパージガスとしてのＮＨ₃ガスを供給しつつ、ガス排気口１７より排気した状態とする。なお、前記所定の圧力は、クリーニング工程における炉内圧力と同じか、それよりも高い圧力とするか、または低い圧力とする場合もあるが、パージ効果の点から高い圧力とすることが好ましい。
ここで、ＮＨ₃パージの条件としては、温度７００〜９００℃、圧力１，３００Ｐａ〜大気圧、流量３００〜８００ｓｃｃｍ、パージ時間３０〜６０ｍｉｎが好ましい。温度は７００℃未満だとＮＨ₃活性が弱く（ＮＨ₃が十分に活性化せず）、９００℃より高いと耐熱性の点で問題がある。よって、上述した７００〜９００℃というＮＨ₃が十分に活性化するとともに耐熱可能となる温度範囲が有効である。圧力は１，３００Ｐａ未満だとＮＨ₃活性が弱く、大気圧より高いと過加圧となる。よって、上述した１，３００Ｐａ〜大気圧という、ＮＨ₃が十分に活性化するとともに過加圧以下となる高圧処理範囲が有効である。流量は３００ｓｃｃｍ未満だとＮＨ₃活性が弱く、８００ｓｃｃｍより大きいと流速が早すぎる。よって、上記範囲内の流量が有効である。時間は３０ｍｉｎ未満だと、ＮＨ₃活性が弱く、６０ｍｉｎより長いとタクトタイムのロスとなる。よって、上記範囲内の時間が有効である。
【００３２】
このようにクリーニング工程後に、炉内圧力を成膜工程よりも高い圧力とした状態でパージガス（ＮＨ₃）を供給して反応炉１内をパージするパージ工程を設けたので、ＮＦ₃ガスクリーニング後の縦型反応炉１内の残留フッ素レベルが高くても、ＮＨ₃パージを高圧で実施することによりプラズマ等のエネルギー（プラズマ化学反応）を用いることなく、熱エネルギー（熱化学反応）だけを用いて残留ガスを十分に分解して除去することができ、縦型反応炉１内に残留したクリーニングガス（ＮＦ₃）の影響を低減することができる。したがってクリーニング工程後の成膜工程において、フッ素の残留に起因するＳｉ₃Ｎ₄膜の成膜における膜厚の低下を防止できる。特に、クリーニング工程後に、炉内圧力をクリーニング工程における圧力よりも高い圧力とした状態でパージガスを供給すると、クリーニングガス（ＮＦ₃）の影響を一層低減することができ、Ｓｉ₃Ｎ₄膜の成膜における膜厚の低下をより有効に防止できる。
【００３３】
（コーティング工程）
次に、コーティング工程について説明する。コーティング工程は、パージ工程後に、パージ工程と連続して行う。すなわち、図４に示すように、パージ工程同様、反応炉１内には空のボート１１が収容された状態で行う。コーティング工程では、クリーニングガスであるＮＦ₃ガスの影響を更になくすために、反応管２の内壁等にコーティングを行う。コーティングガスには、成膜ガスと同じガス、すなわちＳｉＨ₂Ｃｌ₂＋ＮＨ₃が用いられる。
【００３４】
コーティング工程では、先ず、制御手段２２により炉空間４のガスを真空ポンプ１９により吸引することにより炉空間４をパージ工程における炉内圧力よりも低い所定の圧力とするとともに、ヒータ１４を制御することにより炉空間４の温度を所定のコーティング温度にする。
【００３５】
炉空間４がコーティング温度に達し、安定化したら、制御手段２２の制御によりガス供給口１５ｃ、１５ｂよりコーティングガスとしてＳｉＨ₂Ｃｌ₂，ＮＨ₃を炉空間４に流入させ、熱ＣＶＤ法により、反応管２内にコーティング膜を形成する。この際、炉空間４にはガス供給口１５ｃ，１５ｂよりコーティングガスを供給しつつ、排気した状態とする。
コーティング条件としては、炉内温度６５０〜７８０℃、炉内圧力３０〜１００Ｐａ、流量２０〜１００ｓｃｃｍ、コーティング膜の膜厚５００〜１，５００Åが好ましい。コーティング膜の膜厚は５００Å未満だと、フッ素除去効果が弱く、１５００Åより厚いと過剰になる。よって、上述した５００〜１５００Åというフッ素を十分に除去できるとともに過剰にならない膜厚範囲が有効である。
【００３６】
このようにパージ工程後に、さらにコーティングガス（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂＋ＮＨ₃）を供給し反応炉１内にコーティング膜を形成するコーティング工程を設けたので、ＮＦ₃ガスクリーニング後の縦型反応炉１内の残留フッ素レベルが高くても、ＮＨ₃パージを高圧で実施した上、さらにコーティング膜を形成することにより残留ガスを有効に除去することができ、縦型反応炉１内に残留したクリーニングガス（ＮＦ₃）の影響を更に低減することができる。したがってクリーニング後の成膜工程において、Ｓｉ₃Ｎ₄膜の膜厚の低下を更に防止できる。
なお、ドライクリーニングを用いる膜種としてＳｉ₃Ｎ₄膜の他にＰｏｌｙ−Ｓｉ膜がある。Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の場合、一般的にクリーニング後に空デポと呼ばれる厚膜の成膜を実施するが、その空デポの実施によりクリーニングガスの影響を封じ込むことができる。しかし、通常Ｓｉ₃Ｎ₄膜ではそのような厚膜の空デポを実施しないので、特にクリーニング後の成膜における膜厚の低下が問題になっていた。したがって、膜厚の低下を抑制できる本発明は、実施の形態のような厚膜の空デポを実施しないＳｉ₃Ｎ₄膜を成膜する場合において特に有効となる。
【００３７】
＜実施例＞
以下、クリーニング工程後にＮ₂パージ工程を行い、その後コーティング工程を行った場合と、クリーニング工程後にＮＨ₃パージを行い、その後コーティング工程を行った場合とにおけるその前後の成膜工程において形成されたＳｉ₃Ｎ₄の膜厚差の相違について説明する。なお、パージ工程後に共通に行ったコーティング工程におけるコーティング層の膜厚は、ともに９７９Åとした。
図５は、クリーニング工程後にＮ₂パージを行った場合のグラフである。すなわち、成膜→…（繰り返し）→成膜→（膜厚測定Ａ）→ＮＦ₃クリーニング→Ｎ₂パージ→Ｓｉ₃Ｎ₄コーティング（９７９Å）→成膜→（膜厚測定Ｂ）という一連の成膜サイクルにおいて、クリーニング前に測定（膜厚測定Ａ）した膜厚と、クリーニング後に測定（膜厚測定Ｂ）した膜厚との変化を示している。
Ｎ₂パージの条件は、温度７６０℃、Ｎ₂ガスの流量は８００ｓｃｃｍ、圧力２００Ｐａ、処理時間６０分である。グラフ中の黒丸印、黒三角印、及び黒四角印は、それぞれボート１１上のＴｏｐ、Ｃｅｎｔｅｒ、Ｂｏｔｔｏｍの３箇所に保持されたウェーハ１０の膜厚を測定した結果を示している。図から分かるように、いずれの測定箇所においてもクリーニング後の成膜におけるＳｉ₃Ｎ₄の膜厚がクリーニング前の成膜におけるＳｉ₃Ｎ₄の膜厚より２０Å以上減少している。
【００３８】
図６は、クリーニング工程後にＮＨ₃パージを行った場合のグラフである。すなわち、成膜→…（繰り返し）→成膜→（膜厚測定Ａ）→ＮＦ₃クリーニング→ＮＨ₃パージ→Ｓｉ₃Ｎ₄コーティング（９７９Å）→成膜→（膜厚測定Ｂ）という一連の成膜サイクルにおいて、クリーニング前に測定（膜厚測定Ａ）した膜厚と、クリーニング後に測定（膜厚測定Ｂ）した膜厚の変化を示している。
ＮＨ₃パージの条件は、温度７６０℃、ＮＨ₃ガスの流量は８００ｓｃｃｍ、圧力２００Ｐａ、処理時間６０分である。グラフ中の黒丸印、黒三角印、及び黒四角印は図５と同様にＴｏｐ、Ｃｅｎｔｅｒ、Ｂｏｔｔｏｍの３箇所のデータを意味する。図から分かるように、いずれの測定箇所においてもクリーニング前の成膜におけるＳｉ₃Ｎ₄の膜厚に対し、クリーニング後の成膜におけるＳｉ₃Ｎ₄の膜厚の減少はほとんどない。
【００３９】
これらの結果より、ＮＦ₃クリーニング後に成膜圧力よりも高い圧力でＮＨ₃パージを行うと、Ｎ₂パージを行う場合に比べ、クリーニング後の成膜におけるＳｉ₃Ｎ₄の膜厚の減少を大幅に抑制できることが分かる。これは、残留しているＮＦ₃を活性ＮＨ₃により分解し、フッ素を除去できるためである。
【００４０】
以上述べたように実施の形態によれば、クリーニング工程後にクリーニング工程と同様アウタチューブ３内にウェーハ１０が収容されていない状態で、炉内圧力を成膜工程における圧力よりも高くし、パージガスとしてのＮＨ₃ガスを供給してアウタチューブ３内に残留したクリーニングガス（ＮＦ₃）を分解して除去するパージ工程を有するので、クリーニング工程後の成膜工程において形成するＳｉ₃Ｎ₄の膜厚の低下が抑制され、メンテナンスフリーと安定した膜厚及び膜質の成膜とを両立することができる。ひいては、半導体デバイスの歩留まりを低減させることなく高品質の成膜を行うことができる。
【００４１】
なお、上記実施の形態では、空のボート１１を反応炉１内に挿入して、炉口シールキャップ１２で反応炉１に蓋をした状態で、クリーニング工程、パージ工程、コーティング工程を行う方法について説明したが、ボート１１を反応炉１内に挿入しないで、すなわち、炉口ゲートバルブ８で反応炉１に蓋をした状態で、クリーニング工程、パージ工程、コーティング工程を行うようにしてもよい。
【００４２】
また、上記実施の形態では反応管を二重構造としたが、本発明は、１重構造の反応管を有する反応炉にも適用できる。また、バッチ式の縦型反応炉について述べたが、枚葉式にも適用できる。また、フッ素系ガスを用いて処理を行った後に成膜するプロセスであればいずれの半導体デバイスの製造方法にも適用可能である。また、Ｓｉ₃Ｎ₄膜を成膜する場合について述べたが、他の膜種を成膜する場合にも適用可能である。さらに熱ＣＶＤ以外の他の熱化学反応を用いた製造方法にも適用可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フッ素系ガスを用いたクリーニング工程後に、炉内圧力を成膜工程における圧力よりも高くして反応炉内をＮＨ₃ガスでパージするパージ工程を有するので、クリーニング工程後における成膜工程において膜厚の低下が抑制され、安定した膜厚をもつ半導体デバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態による半導体デバイスの製造工程の一工程として、基板上に薄膜を形成する方法を実施するための縦型熱ＣＶＤ装置の構成図である。
【図２】 実施の形態による半導体デバイスの製造方法を実施するための基板処理装置の制御系を説明した概略構成図である。
【図３】 実施の形態による成膜工程時の状態を示す説明図である。
【図４】 実施の形態によるクリーニング工程、パージ工程、コーティング工程時の状態を共通に示す説明図である。
【図５】 従来例のクリーニング工程後にＮ₂パージを行った場合の、クリーニング後における成膜工程でのＳｉ₃Ｎ₄の膜厚の変化を示す説明図である。
【図６】 実施の形態のクリーニング工程後にＮＨ₃パージを行った場合の、クリーニング後における成膜工程でのＳｉ₃Ｎ₄の膜厚の変化を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 反応炉
３ アウタチューブ（反応管）
５ インナチューブ（反応管）
１０ ウェーハ（基板）
１１ ボート
１４ ヒータ
１５ ガス供給口
１７ ガス排気口

Claims (2)

1. 基板を収容した反応炉内にＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ 、ＢＴＢＡＳ、Ｓｉ _２ Ｃｌ _６ 、またはＳｉＣｌ _４ と、ＮＨ _３ と、を含むガスを成膜ガスとして供給して熱化学反応により前記基板上に窒化シリコン膜を形成する成膜工程と、
   前記基板を収容しない状態の前記反応炉内にフッ素系ガスを供給して、熱化学反応により前記成膜工程で前記反応炉内に付着した前記窒化シリコン膜を除去するクリーニング工程と、
   前記クリーニング工程後に前記基板を収容しない状態の前記反応炉内に、炉内圧力を前記成膜工程における炉内圧力よりも高くした状態でＮＨ_３ガスを供給することにより前記反応炉内のパージを行うパージ工程と、
   前記パージ工程後に前記基板を収容しない状態の前記反応炉内に、前記成膜ガスと同じガスを供給して、熱化学反応により前記反応炉内に膜厚が５００〜１５００Åである窒化シリコン膜を形成するコーティング工程と、
   を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
2. 基板上に薄膜を形成する処理を行う反応炉と、
   前記反応炉内にＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ 、ＢＴＢＡＳ、Ｓｉ _２ Ｃｌ _６ 、またはＳｉＣｌ _４ を含むガスを供給する供給口と、
   前記反応炉内にフッ素系ガスを供給する供給口と、
   前記反応炉内にＮＨ _３ ガスを供給する供給口と、
   前記反応炉内を排気する排気口と、
   前記基板を収容した反応炉内にＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ 、ＢＴＢＡＳ、Ｓｉ _２ Ｃｌ _６ 、またはＳｉＣｌ _４ と、ＮＨ _３ と、を含むガスを成膜ガスとして供給して熱化学反応により前記基板上に窒化シリコン膜を形成する成膜を行い、その後、前記基板を収容しない状態の前記反応炉内にフッ素系ガスを供給して熱化学反応により前記成膜により前記反応炉内に付着した前記窒化シリコン膜を除去するクリーニングを行い、その後、前記基板を収容しない状態の前記反応炉内に、炉内圧力を前記成膜における炉内圧力よりも高くした状態でＮＨ _３ ガスを供給することにより前記反応炉内のパージを行い、その後、前記基板を収容しない状態の前記反応炉内に、炉内圧力を前記パージにおける炉内圧力よりも低くした状態で前記成膜ガスと同じガスを供給して、熱化学反応により前記反応炉内に膜厚が５００〜１５００Åである前記反応炉内に窒化シリコン膜を形成するコーティングを行うように制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする基板処理装置。

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