JP2004288903A

JP2004288903A - Manufacturing method of semiconductor device

Info

Publication number: JP2004288903A
Application number: JP2003079615A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ozaki; 貴志尾崎
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP4131677B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a film thickness deterioration phenomenon from happening upon forming a nitride silicon film in a film making process after cleaning even when an NF<SB>3</SB>gas cleaning process is adopted. <P>SOLUTION: In the film forming process, film forming gas (containing SiH<SB>2</SB>Cl<SB>2</SB>and NH<SB>3</SB>) is supplied into a reaction furnace 1 accommodating a wafer 10 to form an Si<SB>3</SB>N<SB>4</SB>film on the wafer 10 through heat CVD (chemical vapor deposition) method. In the cleaning process, the inside of reaction furnace 1 is cleaned by removing a thin film deposited in the reaction furnace 1 due to the repetition of the film forming process. The cleaning is effected through the heat CVD method by supplying the NF<SB>3</SB>gas into the reaction furnace 1 under a state that the wafer 10 is not received after cleaning. The NH<SB>3</SB>gas is supplied to effect purge in the reaction furnace 1 under a state that the wafer 10 is not accommodated after the cleaning under a condition that the pressure in the furnace is higher than that in the film forming process. The thin film is coated on the inside of the reaction furnace 1 accommodating no wafer 10 through the heat CVD method by supplying the film forming gas under a condition that the inside pressure of the furnace is lowered than that in the purge process. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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、ＮＦ_３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ＮＦ_３ガス又はＮＦ_３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。
ＮＦ_３ガスの他に三弗化塩素（以下、ＣｌＦ_３という）ガスを用いることもできるが、ＣｌＦ_３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ＮＦ_３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ＮＨ_３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ＮＨ_３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ＮＨ_３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ＮＦ_３ガスやＣｌＦ_３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、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２とＮＨ_３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ＮＨ_３パージは、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２とＮＨ_３とを熱ＣＶＤ法を用いて基板上に窒化シリコン膜（Ｓｉ_３Ｎ_４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ＮＦ_３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ＮＨ_３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ＮＦ_３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ＮＨ_３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ＮＦ_３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ＮＨ_３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ＮＦ_３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ＮＨ_３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、ＮＦ_３、ＮＨ_３、Ｎ_２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、ＮＦ_３クリーニング工程、ＮＨ_３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ＮＦ_３ガス供給口１５ａ、ＮＨ_３ガス供給口１５ｂ、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２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ＮＦ_３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ＮＨ_３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Ｓｉ_３Ｎ_４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ＮＦ_３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ＮＨ_３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ＳｉＨ_２Ｃｌ_２（ジクロルシラン：ＤＣＳ）とＮＨ_３（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Ｓｉ_３Ｎ_４（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、Ｓｉ_３Ｎ_４膜が形成される。
１０ＮＨ_３＋３ＳｉＨ_２Ｃｌ_２→Ｓｉ_３Ｎ_４＋６ＮＨ_４Ｃｌ＋６Ｈ_２
このうち、反応生成物は主にＮＨ_４Ｃｌである。ＮＨ_４Ｃｌ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、Ｓｉ_３Ｎ_４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ＳｉＨ_２Ｃｌ_２＋ＮＨ_３の代わりに、ＢＴＢＡＳ（ビスターシャリーブチルアミノシラン）＋ＮＨ_３、Ｓｉ_２Ｃｌ_６＋ＮＨ_３や、ＳｉＣｌ_４＋ＮＨ_３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Ｎ_２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ＮＦ_３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ＮＦ_３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ＮＦ_３ガス又はＮＦ_３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、ＣｌＦ_３でもよいが、ＮＦ_３ガス又はＮＦ_３ガスを含むガスを用いると、ＣｌＦ_３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、ＮＦ_３はＣｌＦ_３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、ＮＦ_３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、ＮＦ_３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、ＮＦ_３ガスは熱分解により以下のように反応してＳｉ_３Ｎ_４膜の除去を実現する。
Ｓｉ_３Ｎ_４＋４ＮＦ_３→３ＳｉＦ_４＋４Ｎ_２
この反応式で、ＳｉＦ_４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ＮＨ_３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ＮＨ_３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、ＮＨ_３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ＮＨ_３活性が弱く（ＮＨ_３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ＮＨ_３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ＮＨ_３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、ＮＨ_３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ＮＨ_３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、ＮＨ_３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（ＮＨ_３）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、ＮＦ_３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、ＮＨ_３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（ＮＦ_３）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Ｓｉ_３Ｎ_４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（ＮＦ_３）の影響を一層低減することができ、Ｓｉ_３Ｎ_４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ＮＦ_３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ＳｉＨ_２Ｃｌ_２＋ＮＨ_３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ＳｉＨ_２Ｃｌ_２，ＮＨ_３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（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２＋ＮＨ_３）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、ＮＦ_３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、ＮＨ_３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（ＮＦ_３）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、Ｓｉ_３Ｎ_４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Ｓｉ_３Ｎ_４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Ｓｉ_３Ｎ_４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Ｓｉ_３Ｎ_４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Ｎ_２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ＮＨ_３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Ｓｉ_３Ｎ_４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Ｎ_２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）→ＮＦ_３クリーニング→Ｎ_２パージ→Ｓｉ_３Ｎ_４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。
Ｎ_２パージの条件は、温度７６０℃、Ｎ_２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Ｓｉ_３Ｎ_４の膜厚がクリーニング前の成膜におけるＳｉ_３Ｎ_４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ＮＨ_３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）→ＮＦ_３クリーニング→ＮＨ_３パージ→Ｓｉ_３Ｎ_４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。
ＮＨ_３パージの条件は、温度７６０℃、ＮＨ_３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Ｓｉ_３Ｎ_４の膜厚に対し、クリーニング後の成膜におけるＳｉ_３Ｎ_４の膜厚の減少はほとんどない。
【００３９】
これらの結果より、ＮＦ_３クリーニング後に成膜圧力よりも高い圧力でＮＨ_３パージを行うと、Ｎ_２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Ｓｉ_３Ｎ_４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ＮＦ_３を活性ＮＨ_３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ＮＨ_３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（ＮＦ_３）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Ｓｉ_３Ｎ_４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、Ｓｉ_３Ｎ_４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ＮＨ_３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Ｎ_２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Ｓｉ_３Ｎ_４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ＮＨ_３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Ｓｉ_３Ｎ_４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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a thin film is formed on a surface of a semiconductor substrate or the like by a chemical vapor deposition (CVD) method. The present invention relates to a method for suppressing a decrease due to the following.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a method of manufacturing a semiconductor device has incorporated a cleaning step of removing a film adhered in a reaction furnace in a film forming step (for example, see Patent Document 1). Patent Literature 1 discloses a CVD apparatus capable of heating a plurality of substrates held by a boat in a CVD furnace with a heater, such as nitrogen trifluoride (NF), which is a fluorine-based gas.₃A method of dry cleaning the inside of a CVD furnace using a gas is disclosed.
[0003]
The temperature in the CVD furnace is set at 500 ° C. to 650 ° C., and the pressure is set at 1,330 Pa to 26,600 Pa (10 to 200 Torr). With the boat inserted in the CVD furnace, NF₃Gas or NF₃By flowing the gas containing the gas, the film attached to the reaction furnace or the boat is cleaned. The film adhering to the reaction furnace or the boat is a CVD film such as a silicon film, a polysilicon film, and a doped silicon film.
NF₃In addition to gas, chlorine trifluoride (hereinafter referred to as ClF₃Gas) can be used, but ClF₃NF with less damage in furnace due to strong corrosiveness of gas₃Gas is mainly used.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-8-124870 (Detailed description of the invention, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, dry cleaning using a fluorine-based gas has an advantage of being maintenance-free, but has a problem that a film thickness reduction phenomenon occurs when a film is formed on a substrate in a film forming process after cleaning. . This has been a particular problem when forming a film using a thermochemical reaction such as a thermal CVD method.
[0006]
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and has as its object to provide a method of manufacturing a semiconductor device in which a reduction in film thickness does not occur during film formation in a film forming process after a cleaning process even when a cleaning process is incorporated.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a film forming step of supplying a film forming gas into a reactor containing a substrate to form a thin film on the substrate by a thermochemical reaction, and forming the film in the reactor not containing the substrate. Supplying a fluorine-based gas, a cleaning step of removing the thin film adhered to the inside of the reaction furnace in the film formation step by a thermochemical reaction, and in the reaction furnace in a state where the substrate is not accommodated after the cleaning step, With the furnace pressure set higher than the furnace pressure in the film forming process, NH 3₃A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a purging step of performing a purge by supplying a gas.
[0008]
According to the first invention, after the cleaning step using the fluorine-based gas, the NH3 is set in a state where the pressure in the furnace is higher than the pressure in the film forming step.₃NH 3 which has a purge step of supplying gas and is performed at this high pressure₃Since the residue of the cleaning gas can be sufficiently decomposed and removed by the purging, a decrease in the film thickness in a film forming step after the cleaning step can be suppressed when forming a film by a thermochemical reaction. The fluorine-based gas includes all gases containing fluorine, for example, NF₃Gas or ClF₃There is.
[0009]
According to a second aspect, in the first aspect, the film-forming gas is supplied to the reaction furnace in a state where the substrate is not accommodated after the purge step in a state where the furnace pressure is lower than the furnace pressure in the purge step. And a coating step of forming a thin film in the reaction furnace by a thermochemical reaction.
[0010]
According to the second invention, after the purge step, a coating step of forming a coating film in the reaction furnace by supplying a film-forming gas in a state where the pressure in the furnace is lower than the pressure in the purge step is provided. In the film formation step after cleaning, a decrease in film thickness can be further suppressed.
[0011]
In a third aspect based on the first or second aspect, in the film forming step, SiH is used as a film forming gas.₂Cl₂And NH₃Wherein a silicon nitride film is formed on a substrate by a thermal CVD method using a gas containing the following.
As in the third invention, NH is performed at a high pressure (higher pressure than the film forming process) after the cleaning process using a fluorine-based gas.₃The purge is SiH₂Cl₂And NH₃And a silicon nitride film (Si) on a substrate by thermal CVD.₃N₄This is particularly effective when a film is formed.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a reactor for performing a process of forming a thin film on a substrate by a thermochemical reaction, a supply port for introducing a film forming gas into the reactor, and NF as a cleaning gas in the reactor.₃A supply port for supplying a fluorine-based gas such as a gas, and NH as a purge gas in the reactor.₃A supply port for supplying gas, an exhaust port for exhausting the inside of the reaction furnace, and an NF for cleaning by a thermochemical reaction in the reaction furnace in which no substrate is accommodated.₃A fluorine-based gas such as a gas is supplied, and then the pressure in the furnace is set higher than the pressure at the time of film formation, and NH 3 is purged into the reaction furnace in a state where the substrate is not accommodated.₃Control means for controlling supply of gas.
According to the fourth invention, NF is used for cleaning.₃A fluorine-based gas such as a gas is supplied, and then the pressure in the furnace is set higher than the pressure at the time of film formation, and NH 3 is purged for purging.₃Since the thin film is formed on the substrate by using the substrate processing apparatus having the control means for controlling the gas supply, the method of manufacturing a semiconductor device according to the first invention can be easily implemented.
[0013]
In a fifth aspect based on the fourth aspect, the control means includes an NF for cleaning by a thermochemical reaction in a reaction furnace in which no substrate is accommodated.₃A fluorine-based gas such as a gas is supplied, and then the pressure in the furnace is set higher than the pressure at the time of film formation, and NH 3 is purged for purging.₃And then controlling the furnace pressure to be lower than the pressure at the time of purging to supply a film forming gas for coating.
According to the fifth aspect, the control means is further provided with a function of controlling the supply of a film forming gas for coating after purging, so that the method of manufacturing a semiconductor device according to the second to fourth aspects can be easily performed. Can be implemented.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a substrate processing apparatus according to an embodiment. The substrate processing apparatus is a vertical thermal CVD apparatus for performing a method of forming a thin film on a substrate as one step of a semiconductor device manufacturing process. The vertical thermal CVD apparatus includes a reactor 1 for performing a process of forming a thin film on a wafer by a thermochemical reaction, and a vacuum preparatory chamber (load lock chamber) disposed below the reactor 1 via a furnace port gate valve 8. ) 13.
[0015]
The reaction furnace 1 includes a heater 14, a double reaction tube 2 whose inside is heated by the heater 14, and a furnace port flange 6 connected to the bottom of the double reaction tube 2 and supporting the double reaction tube 2. You. A quartz outer tube 3 and an inner tube 5 constituting the double reaction tube 2 are provided inside the heater 14. The outer tube 3 has a headed cylindrical shape with a closed head and an open bottom. The inner tube 5 has a cylindrical shape with both a head and a bottom opened, and is coaxially arranged inside the outer tube 3 so as to form a furnace space 4 having an open upper end. The furnace space 4 includes not only the inner space of the outer tube 3 but also a cylindrical exhaust space 7 formed in a gap between the outer tube 3 and the inner tube 5, and an inner space of the furnace port flange 6. The outer tube 3 and the inner tube 5 are erected on the furnace opening flange 6, and the space between the outer tube 3 and the furnace opening flange 6 is sealed by an O-ring 16. Further, the inner tube 5 is mounted on a support portion 5 a provided in the furnace port flange 6. The lower end opening of the furnace opening flange 6 is hermetically closed by a furnace opening gate valve 8 that can be opened and closed.
[0016]
The furnace port flange 6 forms a furnace port of the reaction furnace 1 by being connected to the reaction tube 2 and is formed in a cylindrical shape with a metal such as stainless steel or Hastelloy. A gas supply port 15 communicating with the inner tube 5 is provided at a position below the inner tube 5 of the furnace port flange 6. A gas exhaust port 17 communicating with the exhaust space 7 is provided below the furnace port flange 6 in the exhaust space 7. Therefore, the gas supply port 15 and the gas exhaust port 17 communicate with each other via the furnace space 4. In addition, a plurality of gas supply ports 15 are provided, and a plurality of gas types (film forming gas, NF₃, NH₃, N₂Gas) is supplied into the reaction tube 2, but only one gas is shown in the illustrated example for convenience. The above-described reaction tube 2, heater 14, and furnace port flange 6 are housed in a casing 24. Further, a heat insulating material 18 is provided between the outer tube 3 and the casing 24. With the furnace port gate valve 8 completely closing the lower end opening of the furnace port flange 6, the furnace space 4 in the reaction tube 2 can be evacuated through the gas exhaust port 17 by the vacuum pump 19 and supplied through the gas supply port 15. It is configured so that the exhausted gas can be discharged.
[0017]
The vacuum preparatory chamber 13 allows the boat 11 to be moved in and out of the reaction tube 2 while maintaining the inside of the reaction tube 2 of the reaction furnace 1 in a vacuum or a predetermined reduced pressure state. For this purpose, the vacuum pump 19 is configured so that the space 23 in which the boat 11 is present can be evacuated through the gas exhaust port 21 and the gas supplied through the gas supply port 25 can be discharged. In the pre-vacuum chamber 13, a boat 11 erected on a furnace port seal cap 12 via a boat support 9 is disposed, and the wafers 10 to be processed in the reaction furnace 1 are placed on the boat 11 in multiple stages in a horizontal posture. Will be loaded. The boat 11 rises together with the furnace port seal cap 12 and the boat support 9 when the boat elevator 40 rises, passes through the furnace port section in which the furnace port gate valve 8 is opened and is open, and the boat 11 Inserted (loaded) inside. When the boat 11 reaches a predetermined position, the lower end opening of the furnace port flange 6 serving as the furnace port of the reaction furnace 1 is covered with a furnace port seal cap 12, and the furnace is sealed by an O-ring 20 provided on the furnace port seal cap 12. The space 4 is closed. Further, the boat 10 is unloaded by descending the boat 11 from the reaction furnace 1 by the boat elevator 40. After unloading the wafer, the furnace space 4 is closed again by closing the furnace port gate valve 8 at the lower end opening of the furnace port flange 6.
[0018]
The gas supply ports 15 and 25 are provided with valves 27 and 29 for opening and closing the gas supply ports 15 and 25 and adjusting the flow rate, respectively. The gas exhaust ports 17 and 21 are also provided with the gas exhaust ports 17 and 21 respectively. Valves 31 and 33 for opening and closing 21 are provided.
[0019]
Further, as schematically shown in FIG. 2, the reaction furnace is provided with control means 22 for controlling the operation of each part constituting the reaction furnace. NF₃Cleaning process, NH₃A purge step and a coating step are performed. Therefore, the control means 22 controls the boat elevator 40, the furnace port gate valve 8, and the heater 14 to raise and lower the boat and adjust the temperature in the reaction furnace. Further, the control means 22 controls the valve 31 and the vacuum pump to evacuate the inside of the reaction furnace 1 or to control the pressure in the reaction furnace 1 to a predetermined pressure described later. In addition, the gas supply port 15, here three NFs₃Gas supply port 15a, NH₃Gas supply port 15b, SiH₂Cl₂By controlling the valves 27a, 27b and 27c respectively provided in the gas supply port 15c, the film forming gas is formed for the film formation by the thermal CVD method utilizing the thermochemical reaction while the wafer 10 is housed in the reaction furnace 1. Or supply. Further, in a state where the wafer 10 is not accommodated in the reaction furnace 1, NF is used for cleaning by the thermal CVD method.₃Is supplied, and then the pressure in the furnace is made higher than the pressure at the time of film formation, and NH is purged for purging.₃And a function of supplying a film forming gas for coating by lowering the furnace pressure below the pressure at the time of purging.
[0020]
Next, as a step of a semiconductor device manufacturing process, the vertical reactor 1₃N₄An example of a method for forming a film will be described. As a process, mainly
(1) a film forming step of forming a thin film on the wafer 10 by supplying a film forming gas into the vertical reactor 1;
(2) NF is placed in the reactor 1 in a state where the wafer 10 is not stored.₃A cleaning step of supplying gas and removing a thin film adhered to the inside of the reaction furnace 1 in a film forming step;
(3) In the reaction furnace 1 in a state where the wafer 10 is not stored after the cleaning step, NH 3 is set in a state where the furnace pressure is higher than the furnace pressure in the film forming step.₃A purge step of supplying and purging gas,
(4) A film forming gas is supplied into the reactor 1 in a state where the wafer 10 is not accommodated after the purge step and the pressure in the furnace is lower than the pressure in the furnace in the purge step, and a thin film is formed in the reactor 1. Coating process
Is mentioned. Hereinafter, these steps will be described in order.
[0021]
(Deposition process)
The film forming process will be described with reference to FIG. In the film forming process, first, the furnace port gate valve 8 (see FIG. 1) is opened by the control means 22 (see FIG. 2), and the boat elevator 40 is raised, so that the boat 11 holding a large number of wafers 10 is raised. Then, the wafer 10 is loaded into the reaction tube 2 of the reaction furnace 1.
[0022]
When the boat 11 reaches a predetermined processing position in the furnace, the furnace port seal cap 12 hermetically closes the furnace port of the reaction furnace 1, and the furnace space 4 is closed. Thereafter, the control means 22 controls the valve 31 and the vacuum pump 19 to suck the gas in the furnace space 4 to bring the furnace space 4 into a vacuum state or a predetermined reduced pressure state. Next, when the furnace space 4 is in a vacuum state or a predetermined reduced pressure state, the heater 14 is controlled by the control means 22 so that the temperature of the furnace space 4 is set to a predetermined film forming temperature. The heating of the furnace space 4 by the heater 14 may be performed before the furnace space 4 is brought into a vacuum state or a predetermined reduced pressure state, or before the wafer 10 is loaded into the reaction furnace 1.
[0023]
When the wafer temperature reaches the film forming temperature and becomes stable, SiH is used as the film forming gas.₂Cl₂(Dichlorosilane: DCS) and NH₃Under the control of the control means 22, (ammonia) flows into the furnace space 4 from the gas supply ports 15c and 15b, and Si is deposited on the wafer 10 by thermal CVD.₃N₄(Silicon nitride film) is formed. At this time, the furnace space 4 is exhausted from the gas exhaust port 17 while supplying the film forming gas from the gas supply ports 15c and 15b. In this case, the following reaction occurs, and Si₃N₄A film is formed.
10NH₃+ 3SiH₂Cl₂→ Si₃N₄+ 6NH₄Cl + 6H₂
Of these, the reaction product is mainly NH 3₄Cl. NH₄Cl is cooled in a water trap (not shown), and is precipitated and removed from the exhaust gas.
[0024]
Note that Si₃N₄The film forming conditions for forming the film are as follows.
Furnace temperature: 750 ± 50 ° C
Furnace pressure: 13.3 to 133 Pa (0.1 to 1.0 Torr)
The film forming gas is SiH₂Cl₂+ NH₃Instead of BTBAS (Victorary butylaminosilane) + NH₃, Si₂Cl₆+ NH₃Or SiCl₄+ NH₃May be used.
[0025]
Next, after the film formation is completed, under the control of the control means 22, N gas is introduced into the reaction furnace 1 from the gas supply port 15.₂The residual gas in the outer tube 3 is exhausted from the gas exhaust port 17 by evacuating from the gas exhaust port 17 by the vacuum pump 19 while supplying an inert gas such as.
Finally, the boat 11 holding the film-formed wafer 10 is moved (unloaded) to the space 23 in the pre-vacuum chamber 13, and the furnace port gate valve 8 (see FIG. 1) is closed. After the wafer 10 is cooled to a predetermined temperature, the wafer 10 is collected.
When such a film forming process is repeated for a predetermined batch, a film is deposited in the reaction furnace 1. The adhered film is removed in the next cleaning step.
[0026]
(Cleaning process)
The cleaning step will be described with reference to FIG. In the cleaning step, first, the furnace port gate valve 8 (see FIG. 1) is opened, and an empty boat 11 that does not hold the wafer 10 is loaded into the reaction tube 2 of the reaction furnace 1 by raising a boat elevator (not shown). . When the boat 11 reaches a predetermined position in the reaction furnace 1, the furnace port seal cap 12 hermetically closes the furnace port of the reaction furnace 1, and the furnace space 4 is closed. Thereafter, the control means 22 controls the valve 31 and the vacuum pump 19 to set the furnace space 4 in a vacuum or a predetermined reduced pressure state. The temperature of 4 is set to a predetermined cleaning temperature. The heating of the furnace space 4 by the heater 14 may be performed before the furnace space 4 is brought into a vacuum state or a predetermined reduced pressure state, or before the boat 11 is loaded into the reaction furnace 1. When the furnace space 4 reaches the cleaning temperature and is stabilized, the control means 22 controls the valve 27a to control the NF from the gas supply port 15a.₃The gas flows into the furnace space 4. At this time, the NF is supplied to the furnace space 4 from the gas supply port 15a.₃The gas is exhausted from the gas exhaust port 17 while supplying gas.
[0027]
NF which is a fluorine-based gas as a cleaning gas₃Gas or NF₃Gas containing gas is used. Since a fluorine-based gas is used, it is not necessary to remove and attach a quartz reaction tube which is necessary when performing wet cleaning such as HF (hydrogen fluoride) solution or DIW (pure). Fluorine gas is ClF₃Or NF₃Gas or NF₃When a gas containing gas is used, ClF₃Unlike chlorine, it does not contain chlorine, so it is less corrosive and less polluting, and less damage to the quartz surface. In addition, NF₃Is ClF₃Decomposition temperature is higher than that, and a furnace temperature of 500 ° C. or more is required.
[0028]
Next, NF₃The cleaning conditions when gas is used will be described. The temperature in the furnace at the time of cleaning is preferably 500 to 650 ° C. due to the relationship between the accumulated film thickness and the apparatus downtime. Further, by setting the pressure in the furnace at the time of cleaning to about 1,330 Pa to 66,500 Pa (10 Torr to 500 Torr), an optimum result is obtained.
[0029]
That is, NF₃Has a high decomposition temperature, and if it is lower than 500 ° C., etching cannot be performed. If the temperature in the furnace is set too high, the temperature of the metal part of the furnace port composed of the furnace port flange 6 and the like also increases, and corrosion proceeds. In particular, if the temperature in the furnace is higher than 650 ° C., the temperature of the metal part of the furnace opening, for example, Hastelloy, exceeds its limit temperature (200 ° C.), causing corrosion. Therefore, the furnace temperature during cleaning is preferably from 500C to 650C.
On the other hand, if the pressure is less than 1,330 Pa, the etching rate becomes low, and a practical etching rate cannot be obtained. On the other hand, when the pressure is higher than 66,500 Pa, it is difficult to control the pressure. Therefore, it is preferable that the pressure in the furnace at the time of cleaning be 1,330 Pa to 66,500 Pa.
[0030]
By the way, NF₃The gas reacts as follows by thermal decomposition and₃N₄Achieve film removal.
Si₃N₄+ 4NF₃→ 3SiF₄+ 4N₂
In this reaction formula, SiF₄Is emitted as gas.
[0031]
(Purge process)
Next, the purge step will be described. The purging step is performed after the cleaning step and continuously with the cleaning step. That is, as shown in FIG. 4, the cleaning is performed in a state where an empty boat 11 is accommodated in the reaction furnace 1 as in the cleaning step. In the purging step, first, the control unit 22 sets the pressure in the furnace space 4 to a predetermined pressure higher than the pressure in the furnace in the film forming step, and sets the temperature of the furnace space 4 to a predetermined temperature. When the furnace space 4 reaches a predetermined temperature and pressure, the control means 22 controls the NH 4 from the gas supply port 15b into the furnace space 4.₃The gas is supplied to decompose the residual gas remaining in the furnace space 4 in the cleaning step in the reaction furnace 1 and discharge the gas through the gas exhaust port 17. At this time, NH 3 as a purge gas is supplied to the furnace space 4 from the gas supply port 15b.₃The gas is exhausted from the gas exhaust port 17 while supplying the gas. The predetermined pressure may be equal to, higher than, or lower than the furnace pressure in the cleaning step, but is preferably high from the viewpoint of the purge effect.
Where NH₃Purge conditions are preferably a temperature of 700 to 900 ° C., a pressure of 1,300 Pa to atmospheric pressure, a flow rate of 300 to 800 sccm, and a purge time of 30 to 60 min. If the temperature is below 700 ° C, NH₃Low activity (NH₃Is not sufficiently activated), and if it is higher than 900 ° C., there is a problem in terms of heat resistance. Therefore, the above-mentioned NH of 700 to 900 ° C.₃Is effective within a temperature range in which the heat is sufficiently activated and heat resistance is possible. If the pressure is less than 1,300 Pa, NH₃The activity is weak, and if it is higher than the atmospheric pressure, it will be overpressurized. Therefore, the above-mentioned 1,300 Pa to atmospheric pressure, NH₃Is sufficiently activated and a high-pressure treatment range in which the pressure is equal to or less than the overpressurization is effective. If the flow rate is less than 300 sccm, NH₃The activity is weak, and if it is larger than 800 sccm, the flow rate is too fast. Therefore, a flow rate within the above range is effective. If the time is less than 30min, NH₃The activity is weak, and if it is longer than 60 min, the tact time is lost. Therefore, a time within the above range is effective.
[0032]
After the cleaning process, the purge gas (NH₃) Is provided to purge the inside of the reactor 1,₃Even if the residual fluorine level in the vertical reactor 1 after gas cleaning is high, NH₃By performing the purging at a high pressure, the residual gas can be sufficiently decomposed and removed using only thermal energy (thermochemical reaction) without using energy such as plasma (plasma chemical reaction). Cleaning gas (NF) remaining in the furnace 1₃) Can be reduced. Therefore, in the film forming process after the cleaning process, Si₃N₄It is possible to prevent a decrease in film thickness during film formation. In particular, if the purge gas is supplied after the cleaning step with the furnace pressure being higher than the pressure in the cleaning step, the cleaning gas (NF₃) Can be further reduced, and Si₃N₄A decrease in film thickness during film formation can be more effectively prevented.
[0033]
(Coating process)
Next, the coating step will be described. The coating step is performed after the purge step and continuously with the purge step. That is, as shown in FIG. 4, similarly to the purge step, the process is performed in a state where an empty boat 11 is accommodated in the reaction furnace 1. In the coating process, the cleaning gas NF₃In order to further eliminate the influence of the gas, the inner wall of the reaction tube 2 is coated. The same gas as the film forming gas, ie, SiH₂Cl₂+ NH₃Is used.
[0034]
In the coating process, first, the gas in the furnace space 4 is sucked by the vacuum pump 19 by the control means 22 so that the furnace space 4 has a predetermined pressure lower than the furnace pressure in the purging process, and the heater 14 is controlled. Thereby, the temperature of the furnace space 4 is set to a predetermined coating temperature.
[0035]
When the furnace space 4 reaches the coating temperature and is stabilized, the control means 22 controls the gas supply ports 15c and 15b to supply SiH as a coating gas.₂Cl₂, NH₃Flows into the furnace space 4 to form a coating film in the reaction tube 2 by a thermal CVD method. At this time, the furnace space 4 is exhausted while supplying the coating gas from the gas supply ports 15c and 15b.
As the coating conditions, a furnace temperature of 650 to 780 ° C., a furnace pressure of 30 to 100 Pa, a flow rate of 20 to 100 sccm, and a coating film thickness of 500 to 1,500 ° are preferable. If the thickness of the coating film is less than 500 °, the effect of removing fluorine is weak, and if it is more than 1500 °, it becomes excessive. Therefore, the above-mentioned range of the film thickness of 500 to 1500 ° which can sufficiently remove fluorine and does not become excessive is effective.
[0036]
After the purge step, the coating gas (SiH₂Cl₂+ NH₃) Is provided to form a coating film in the reaction furnace 1.₃Even if the residual fluorine level in the vertical reactor 1 after gas cleaning is high, NH₃The purging is performed at a high pressure, and a coating film is further formed to effectively remove the residual gas, and the cleaning gas (NF) remaining in the vertical reactor 1 is removed.₃) Can be further reduced. Therefore, in the film forming process after cleaning,₃N₄A decrease in the film thickness can be further prevented.
Note that Si is used as a film type using dry cleaning.₃N₄In addition to the film, there is a Poly-Si film. In the case of a Poly-Si film, generally, a thick film called an empty deposition is formed after cleaning, but the effect of the cleaning gas can be sealed by performing the empty deposition. However, usually Si₃N₄Since no empty deposition of such a thick film is performed on the film, a decrease in the film thickness particularly in film formation after cleaning has been a problem. Therefore, according to the present invention, which can suppress the decrease in the film thickness, the Si film which does not perform the empty deposition of the thick film as in the embodiment is used.₃N₄This is particularly effective when a film is formed.
[0037]
<Example>
Hereinafter, after the cleaning process, N₂A purge process is performed, and then a coating process is performed, and NH3 is performed after the cleaning process.₃Purging and then performing the coating process, and forming the Si film formed in the film forming process before and after the coating process.₃N₄Will be described. The thickness of the coating layer in the coating step commonly performed after the purge step was 979 °.
FIG. 5 shows that N₂It is a graph at the time of performing purging. That is, film formation → (repeated) → film formation → (film thickness measurement A) → NF₃Cleaning → N₂Purge → Si₃N₄In a series of film forming cycles of coating (979 °) → film forming → (film thickness measurement B), the film thickness measured before cleaning (film thickness measurement A) and the film thickness measured after cleaning (film thickness measurement B) Changes.
N₂The purge conditions are as follows: temperature 760 ° C., N₂The gas flow rate was 800 sccm, the pressure was 200 Pa, and the processing time was 60 minutes. Black circles, black triangles, and black squares in the graph show the results of measuring the film thickness of the wafer 10 held at three locations on the boat 11, Top, Center, and Bottom, respectively. As can be seen from the figure, the Si in the film formation after cleaning was₃N₄Film thickness of Si in film formation before cleaning₃N₄Is less than 20 °.
[0038]
FIG. 6 shows that NH after the cleaning step₃It is a graph at the time of performing purging. That is, film formation → (repeated) → film formation → (film thickness measurement A) → NF₃Cleaning → NH₃Purge → Si₃N₄In a series of film forming cycles of coating (979 °) → film forming → (film thickness measurement B), the film thickness measured before cleaning (film thickness measurement A) and the film thickness measured after cleaning (film thickness measurement B) The change is shown.
NH₃The purge conditions were as follows: temperature 760 ° C., NH₃The gas flow rate was 800 sccm, the pressure was 200 Pa, and the processing time was 60 minutes. Black circles, black triangles, and black squares in the graph mean data at three locations, Top, Center, and Bottom, as in FIG. As can be seen from the figure, the Si in the film formation before cleaning was₃N₄For the film thickness after cleaning,₃N₄There is almost no decrease in film thickness.
[0039]
From these results, NF₃After cleaning, the NH3 is₃After purging, N₂Compared to the case where purging is performed, Si₃N₄It can be seen that the decrease in the film thickness can be significantly suppressed. This is the remaining NF₃The active NH₃Is decomposed to remove fluorine.
[0040]
As described above, according to the embodiment, the pressure in the furnace is set higher than the pressure in the film forming process in a state where the wafer 10 is not stored in the outer tube 3 as in the cleaning process after the cleaning process, and the purge gas is used as the purge gas. NH₃The cleaning gas (NF) remaining in the outer tube 3 by supplying the gas₃) Is decomposed and removed, so that Si formed in the film forming process after the cleaning process is formed.₃N₄Is suppressed, and maintenance-free and stable film thickness and film quality can be achieved at the same time. Consequently, high-quality film formation can be performed without reducing the yield of semiconductor devices.
[0041]
In the above embodiment, a method of performing a cleaning step, a purging step, and a coating step with an empty boat 11 inserted into the reactor 1 and the reactor 1 covered with a furnace port seal cap 12 is described. As described above, the cleaning step, the purge step, and the coating step may be performed without inserting the boat 11 into the reaction furnace 1, that is, with the reaction furnace 1 covered with the furnace port gate valve 8.
[0042]
In the above embodiment, the reaction tube has a double structure. However, the present invention can be applied to a reaction furnace having a single structure reaction tube. Although the vertical reactor of the batch type has been described, the present invention can also be applied to a single wafer type. Further, the present invention can be applied to any semiconductor device manufacturing method as long as it is a process of forming a film after performing a process using a fluorine-based gas. In addition, Si₃N₄Although the case of forming a film has been described, the present invention is also applicable to the case of forming another film type. Further, the present invention can be applied to a manufacturing method using a thermochemical reaction other than thermal CVD.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, after the cleaning step using the fluorine-based gas, the pressure in the furnace is set to be higher than the pressure in the film forming step, and the inside of the reaction furnace is NH 3.₃Since a purge step of purging with a gas is provided, a decrease in film thickness is suppressed in a film forming step after a cleaning step, and a semiconductor device having a stable film thickness can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a vertical thermal CVD apparatus for performing a method of forming a thin film on a substrate as one step of a manufacturing process of a semiconductor device according to an embodiment.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating a control system of a substrate processing apparatus for performing a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state during a film forming process according to the embodiment.
FIG. 4 is an explanatory view commonly showing states during a cleaning step, a purge step, and a coating step according to the embodiment.
FIG. 5 shows N after a conventional cleaning step.₂Si in the film forming process after cleaning when purging is performed₃N₄FIG. 4 is an explanatory diagram showing a change in the film thickness of FIG.
FIG. 6 shows NH after a cleaning step according to the embodiment.₃When purging, the Si in the film forming process after cleaning₃N₄FIG. 4 is an explanatory diagram showing a change in the film thickness of FIG.
[Explanation of symbols]
1 reactor
3 outer tube (reaction tube)
5 Inner tube (reaction tube)
10 Wafer (substrate)
11 boats
14 heater
15 Gas supply port
17 Gas outlet

Claims

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ＮＨ_３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。A film forming step of forming a thin film on the substrate by supplying a film forming gas into a reaction furnace containing the substrate and performing a thermochemical reaction;
A cleaning step of supplying a fluorine-based gas into the reaction furnace in a state where the substrate is not accommodated, and removing the thin film attached to the reaction furnace in the film formation step by a thermochemical reaction;
A purging step of performing a purge by supplying NH ₃ gas in a state where the furnace pressure is higher than the furnace pressure in the film forming step into the reaction furnace in a state where the substrate is not accommodated after the cleaning step,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:

請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法において、
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。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
A film-forming gas is supplied to the reaction furnace in a state where the substrate is not accommodated after the purge step, in a state where the furnace pressure is lower than the furnace pressure in the purge step, and the reaction gas is supplied into the reaction furnace by a thermochemical reaction. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a coating step of forming a thin film.

請求項１又は請求項２に記載の半導体デバイスの製造方法において、
前記成膜工程では、成膜ガスとして、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２とＮＨ_３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。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 or 2,
In the film forming process, a silicon nitride film is formed on a substrate by a thermal CVD method using a gas containing SiH ₂ Cl ₂ and NH ₃ as a film forming gas.