JP2008182267A - 基板の製造方法および基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 前処理と成膜の温度差を小さくして、昇降温時間を短縮して処理スピード（スループット）を向上させる。
【解決手段】 反応管１内部を５００℃に加熱する。水素ガスを放電管７に導入する。発振器１２の出力する高周波電力を整合器１３を介して電極端部４に供給する。これにより放電管７内部にプラズマ１５が発生し導入した水素が活性化され、放電管７に多数設けた***１４から回転している被処理基板２に供給される。被処理基板２表面の自然酸化膜などの不純物は主に活性化された水素によって除去される。自然酸化膜などの不純物の除去が完了したら、ガス導入管１７からモノゲルマン（ＧｅＨ４）とモノシラン（ＳｉＨ４）を導入し圧力を調節しながらシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を５００℃で成膜する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、成膜装置に関し、特に、シリコン基板に薄膜を形成する半導体製造装置に関する。

従来技術について図５、図６を参照して説明する。図５（Ａ）は従来の成膜装置の反応室部分を上から見た横断面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＤＤ線縦断面図である。図６は従来の成膜装置におけるプロセス温度を示した図である。反応管１内部には複数枚の被処理基板２を多段に同一間隔で載置できるボート１６が設けられている。ボート１６の下端の軸１６１は、シャッター２３を回転可能かつ気密に貫通する構造となっている。回転部２２は磁気シール等で気密を保持している。ボート１６は図示しないエレベータ機構により上下し、反応管１に出し入れできるようになっている。また被処理基板２の処理の均一性を向上するためにボート１６を回転するための図示しない回転駆動部が設けてある。ボート１６が上限まで上昇した状態ではシャッター２３はフランジ３と気密に連結される構造となっている。多段にボート１６に載置された複数の被処理基板２はボート１６、反応管１とともにヒータ１０によって所定の温度に加熱される。反応ガスはガス導入管１７から反応管１内部に導入され、また反応管１内のガスは排気管１８から排気される。

次に動作を説明する。図示しないエレベータ機構でボート１６を下げた状態で複数の被処理基板２をボート１６に載置した後、ボート１６を上昇させて反応管１内部に挿入する。この時フランジ３とシャッター２３は気密を保持するように連結し、反応管１内部を排気管１８から図示しないポンプで排気し、同時に水素（Ｈ２）を導入し反応管１内部の窒素等のガスを水素で置換する。その後、ヒータ１０に電源を投入し、反応管１および内部のボート１６，被処理基板２などを７００℃に加熱する。反応管１内部の各部の温度が７００℃になったら、水素を導入したままボート１６を回転させ被処理基板表面の自然酸化膜などを除去し清浄化する。この処理を３０分程度実行した後、反応管１内部の温度を５００℃まで降温し反応管１内部の温度が安定したらモノゲルマン（ＧｅＨ４）とモノシラン（ＳｉＨ４）をガス導入管１７から導入しシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を成膜する。反応管１内部の圧力は排気管１８の下流側に設けた図示しない圧力調節機構で調節する。

この従来の成膜装置では、図６の成膜シーケンスに示すように、反応管１の加熱を開始してから処理を終えて降温が終了するまで２３０分を要する。この成膜シーケンスからわかるように反応管１の昇温あるいは降温の時間が長いため、装置としての被処理基板の処理スピード（スループット）が低下してしまう。このため反応管１の昇降温時間を短縮して処理スピード（スループット）を向上させることが課題となる。

上述のように、前処理と成膜時の温度が異なるため、反応管の加熱、冷却に長時間を要しスループットが低下してしまう。従って、前処理と成膜の温度差を小さくして、反応管１の昇降温時間を短縮して処理スピード（スループット）を向上させることが求められている。

本発明の第１の態様によれば、減圧状態の反応室においてリモートプラズマで生成した水素の活性種を利用して被処理基板表面を前処理し、その後、前記反応室内で前記前処理温度の場合と同じ温度で前記被処理基板表面に半導体を単結晶成長させるようにしたことを特徴とする成膜装置が提供される。

このように、前処理に用いる水素をリモートプラズマ機構によって活性化し、被処理基板の清浄化を低温で可能とする。これにより前処理の温度と後に同一の反応室内で行う単結晶成長の温度とを同一にすることができるので、前処理に必用であった単結晶成長温度より高い温度への昇温の時間と単結晶成長温度への降温の時間とを省略することができるようになり、その分、処理スピード（スループット）を向上させることができる。なお、リモートプラズマで生成した水素の活性種を利用して行う被処理基板表面の前処理では、被処理基板表面の自然酸化膜などの不純物の除去等を行う。

また、本発明の第２の態様によれば、減圧状態の反応室においてリモートプラズマで生成した水素の活性種を利用して基板を７００℃以下の温度に加熱して基板表面を前処理し、その後、前記反応室内で前記前処理温度の場合と同じ温度で前記基板表面にシリコンゲルマニウム膜を形成させるようにしたことを特徴とする成膜装置が提供される。

このように、前処理に用いる水素をリモートプラズマ機構によって活性化し、被処理基板の清浄化を低温で可能とする。これにより前処理の温度と後に同一の反応室内で７００℃以下の温度で行うシリコンゲルマニウム膜の形成温度とを同一にすることができるので、前処理に必用であったシリコンゲルマニウム膜の形成温度より高い温度への昇温の時間とシリコンゲルマニウム膜の形成温度への降温の時間とを省略することができるようになり、その分、処理スピード（スループット）を向上させることができる。なお、リモートプラズマで生成した水素の活性種を利用して行う被処理基板表面の前処理では、被処理基板表面の自然酸化膜などの不純物の除去等を行う。

好ましくは、反応室の壁を石英などの誘電体で構成し、その外側に配置したヒータによって反応室の壁と反応室内の基板の温度が同一になるように加熱するホットウォール構造とする。

上記本発明の成膜装置は、基板を１枚だけ反応室内部に載置して処理する構造としてもよく、被処理基板を２枚以上重ねて反応室内部に載置して処理する構造としてもよい。

好ましくは、基板がシリコンウェーハで、単結晶させる半導体がシリコン（Ｓｉ）またはシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）である。

シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）膜を形成する際に、減圧状態の反応室に供給する原料ガスは、好ましくは、モノゲルマン（ＧｅＨ４）とモノシラン（ＳｉＨ４）である。

本発明によれば、被処理基板の水素による表面清浄化の温度を下げることができ、その結果、前処理のための昇降温の時間が省略できるため装置のスループットが向上する。

図１、図２、図３、図４を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）図１（Ａ）は本実施の形態の反応室部分の上から見た横断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡＡ線縦断面図を示したものである。図２は図１の横断面の切り口を変えたもので、図２（Ａ）は本実施の形態の反応室部分の上から見た横断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢＢ線縦断面図を示したものである。なお、ヒータ１０を省略して示してある。

反応管１内部には複数枚の被処理基板２を多段に同一間隔で載置できるボート１６が設けられている。該ボート１６は図示しないエレベータ機構により反応管１に出し入れできるようになっている。ボート１６下部の軸１６１は、シャッター２３を回転可能かつ気密に貫通する構造となっている。回転部２２は磁気シール等で気密を保持するが、マグネットカップリングのような機構でもよい。また処理の均一性を向上するためにボート１６を回転するための図示しない回転駆動部が設けてある。図１に示したように、ボート１６が上限まで上昇した状態ではシャッター２３はフランジ３と気密に連結される構造となっている。

反応管１内部の壁面近くにはプラズマ発生源として細長い導電性の電極５を誘電体の保護管６で覆って２本並べて配置し、該２本の電極の電極端部４に発振器１２の発する高周波電力を整合器１３を介して印加する構造となっている。電極５の端部付近は放電防止のため絶縁体８を介してシールド９が設けてある。このシールドによって反応管１内部の放電は被処理基板２近傍に限定されるようになっている。電極端部４は、反応管１下部に気密に連結された金属製のフランジ３を貫通して反応管１の外に引き出されているが、保護管６の中は保護管６とフランジ３が気密にシールされているため反応管１内部と独立した空間になっており、常に大気圧となっている。

また、図２に示すように、電極５に挟まれた反応管１内の空間に、ガス吹出し用の***１４を複数個設けた誘電体製の放電管７を設け、被処理基板２を処理する水素ガスを反応管１内部に導入する際、ガスが該***１４を通過する構造とするとよい。２本並べて配置した細長い電極５間に高周波電力を印加してプラズマ１５発生させると、プラズマ１５で生成される水素の活性種が***１４を通過して被処理基板２に供給される。この時プラズマ１５で生成された荷電粒子の***１４からの吹き出しを抑制するために、放電管７の構造と***１４の大きさ、数、位置などを処理の目的によって最適化する。本実施の形態では***１４の位置を被処理基板２間の中間になるようにしている。これによりボート１６上の各被処理基板２に均等に水素の活性種が供給される。なお、放電管７はなくてもよいが、放電管７でプラズマ生成空間を限定することで、プラズマ１５からの荷電粒子の拡散を抑制することができ、被処理基板２へのイオン等によるダメージを低減できる。

次に動作を説明する。

図示しないエレベータ機構でボート１６を下げて複数の被処理基板２をボート１６に載置した後、ボート１６を上昇させて反応管１内部に挿入し、反応管１内部を図示しないポンプで排気し、水素ガスを導入して、反応管１内部の窒素等のガスを水素で置換する。

ヒータ１０に電源を投入し、反応管１および内部のボート１６，被処理基板２などを５００℃に加熱する。反応管１内部の各部の温度が５００℃になったらボート１６を回転させながら、被処理基板２の表面を清浄化するための水素ガスを放電管７に導入する。反応管１内部の圧力を図示しない圧力調整機構で調節し、所定の値になったら発振器１２の出力する高周波電力を整合器１３を介して電極端部４に供給する。これによって放電管７内部にプラズマ１５が発生し導入した水素が活性化され、放電管７に多数設けた***１４から回転している被処理基板２に供給される。被処理基板２表面の自然酸化膜などの不純物は主に活性化された水素によって除去される。

自然酸化膜などの不純物の除去が完了したら、ガス導入管１７からモノゲルマン（ＧｅＨ４）とモノシラン（ＳｉＨ４）を導入し圧力を調節しながらシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を５００℃で成膜する。反応管１内部の圧力は排気管１８の下流側に設けた図示しない圧力調整機構で調整する。

図４の成膜シーケンスに示すように、反応管１の加熱を開始してから処理を終えて降温が終了するまでの時間は、前処理の温度を成膜温度と同じ５００℃とすることにより、従来技術（破線参照）で２３０分を要していた処理時間は、１５５分に短縮される。

（第２の実施の形態）図３は本発明の第２の実施の形態を示す図で、ヒータは省略して示してある。図３（Ａ）は本実施の形態の反応室部分の上から見た横断面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＣＣ線縦断面図を示したものである。

反応管１内部には複数枚の被処理基板２を多段に同一間隔で載置できるボート１６が設けられており、主な構造は図１と同様である。

フランジ３には活性ガス導入管１９が設けてあり、リモートプラズマユニット２４で生成された水素の活性種を活性種導入管１９から反応管１内部に供給する構造となっている。リモートプラズマユニット２４のプラズマ源としてはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）型やマイクロ波型が好適である。またリモートプラズマユニット２４の放電部の材質は石英、アルミナ、サファイアなどが好適である。

次に動作を説明する。

図示しないエレベータ機構でボート１６を下げて被処理基板２をボート１６に載置した後、ボート１６を上昇させて反応管１内部に挿入し、反応管１内部を図示しないポンプで排気し、水素を導入して、反応管１内部の窒素等のガスを水素で置換する。水素の導入はガス導入管２１から行う。

ヒータ１０に電源を投入し、反応管１および内部のボート１６、被処理基板２などを５００℃に加熱する。

反応管１内部の各部の温度が５００℃になったら、反応管１内部の圧力を図示しない圧力調整機構で調節し、所定の値になったらリモートプラズマユニット２４を動作させ該リモートプラズマユニット２４で生成した水素の活性種を活性種導入管１９によって反応管１内部に導入し、回転中のボート１６に載置された被処理基板２の表面の自然酸化膜等の不純物除去を行う。

その後の成膜は前述の方法と同様である。

なお、上記第１および第２の実施の形態では、被処理基板を複数枚一括処理する例を示したが、１枚ずつ処理する装置についても、同様である。

本発明によればＳｉＧｅやＳｉの成膜を行う前の被処理基板表面の清浄化の温度を従来より下げることができるため、成膜温度と同一にできる。そして成膜前の被処理基板の清浄化の温度と成膜温度が同一になることから、反応管の昇降温の時間を省略できるため装置のスループットが向上する。

本発明の第１の実施の形態の成膜装置を説明するための図であり、図１（Ａ）は横断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡＡ線縦断面図である。 本発明の第１の実施の形態の成膜装置を説明するための図であり、図２（Ａ）は横断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢＢ線縦断面図である。 本発明の第２の実施の形態の成膜装置を説明するための図であり、図３（Ａ）は横断面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＣＣ線縦断面図である。 本発明の第１の実施の形態におけるプロセス時間を説明する図である。 従来の成膜装置を説明するための図であり、図５（Ａ）は横断面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＡＡ線縦断面図である。 従来のプロセス時間を説明する図である。

符号の説明

１ …反応管
２ …被処理基板
３ …フランジ
４ …電極端部
５ …電極
６ …保護管
７ …放電管
８ …絶縁材
９ …シールド
１０…ヒータ
１２…発振器
１３…整合器
１４…***
１５…プラズマ
１６…ボート
１７…ガス導入管
１８…排気管
１９…活性種導入管
２１…ガス導入管
２２…回転部
２３…シャッター
２４…リモートプラズマユニット

Claims (3)

1. 表面にシリコン単結晶膜を有する基板の製造方法であって、
   加熱手段により少なくとも前記基板を第１の温度で加熱しつつ、リモートプラズマ機構により水素を励起して生成した該水素の活性種を利用して前記基板の表面の前処理を行う前処理工程と、
   前記加熱手段により少なくとも前記基板を第２の温度で加熱しつつ、少なくともモノシランを利用して前記基板の表面にシリコン単結晶膜を形成する単結晶成長工程と、
   を有し、
   前記第１の温度と前記第２の温度は同じ温度であることを特徴とする基板の製造方法。
2. 表面にシリコンゲルマニウム単結晶膜を有する基板の製造方法であって、
   加熱手段により少なくとも前記基板を第１の温度で加熱しつつ、リモートプラズマ機構により水素を励起して生成した該水素の活性種を利用して前記基板の表面の前処理を行う前処理工程と、
   前記加熱手段により少なくとも前記基板を第２の温度で加熱しつつ、少なくともモノゲルマンを利用して前記基板の表面にシリコンゲルマニウム単結晶膜を形成する単結晶成長工程と、
   を有し、
   前記第１の温度と前記第２の温度は同じ温度であることを特徴とする基板の製造方法。
3. 基板を収容する反応室と、
   前記反応室の外に設けられ前記反応室内の雰囲気を加熱する加熱手段と、
   前記反応室内に複数の所望のガスを供給するガス供給手段と、
   リモートプラズマ機構と、
   前記反応室内の雰囲気を排気する排気手段と、
   を備え、前記基板表面にシリコン膜もしくはシリコンゲルマニウム膜を単結晶成長させる基板処理装置であって、
   前記リモートプラズマ機構は、
   誘電体の保護管で覆われ、高周波電力が印加される２本の電極と、
   該電極の端部に絶縁体を介して設けられるシールドと、
   を有し、
   前記ガス供給手段は、
   前記反応室内に原料ガスを供給する原料ガス導入管と、
   前記反応室内に水素ガスを供給する前記原料ガス導入管とは異なる水素ガス導入管と、
   を有し、
   前記水素ガス導入管は、誘電体で形成され、前記基板の積層方向に立設され、前記基板の積層方向に複数のガス供給孔を有することを特徴とする基板処理装置。
   
   

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