JP3753986B2

JP3753986B2 - 半導体装置の製造方法および基板処理装置

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Publication number: JP3753986B2
Application number: JP2002021367A
Authority: JP
Inventors: 裕久山崎; 孝暁野田
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: JP2003224075A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法および基板処理装置に関し、特に、減圧ＣＶＤ法（化学気相堆積法）によって、ポリシリコンゲルマニウムまたはアモルファスシリコンゲルマニウムを成膜する半導体装置の製造方法および基板処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体デバイスを製造する工程においては、減圧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。そのような成膜工程の中の一つとして、減圧ＣＶＤ法によって、シリコンゲルマニウム膜を形成することが試みられている。
【０００３】
シリコンゲルマニウムは、目的のデバイスによって、例えばヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）ではベース領域にエピタキシャルシリコンゲルマニウムを成長させることやＭＯＳトランジスタではゲート電極部分にポリシリコンゲルマニウム膜を形成することが試みられている。
【０００４】
従来の減圧ＣＶＤ装置によるポリシリコンゲルマニウム成膜において、ボロンをドーピングするのにジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）が用いられていた。しかし、ジボランを用いた場合、バッチ処理である縦型減圧ＣＶＤ装置においては、ウェハ面内・ウェハ面間でのシリコンゲルマニウム膜中でのボロン（Ｂ）濃度均一性を確保することが困難であった。そこで、ジボランの代替ドーピングガスとして三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）を用いることが行われた。三塩化ホウ素は、ジボランと比較して反応性が低いため、ガス流れ方向に対して、それほど消費が多くないので、ボロン濃度面間均一性を確保できる。またウェハ間隔が５．２ｍｍピッチ程度と狭くても、三塩化ホウ素はウェハ中心部まで行き渡り、ボロン濃度面内均一性も良くなることがわかっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
シリコンゲルマニウム膜中でのボロン濃度の適正値は適用デバイス部分によって異なり、例えば、ゲート電極用では低抵抗化するために高濃度のボロンを導入する。ジボランによるシリコンゲルマニウム膜中のボロン濃度はジボラン分圧に比例して単調増加することがわかっている。しかしながら、塩素を含んでいる三塩化ホウ素の場合どのような挙動を示すのかわかっていない。そこで、三塩化ホウ素をドーピングガスとして用いた場合の、シリコンゲルマニウム膜中のボロンの挙動を明らかにすることは、適正な濃度のボロンドーピングを実行する上で、重要な課題となる。
【０００６】
本発明の目的は、上記課題を解決し、減圧ＣＶＤ法によって、適正なボロンドーピング濃度のボロンドープポリシリコンゲルマニウムまたはボロンドープアモルファスシリコンゲルマニウムを成膜することを可能とする半導体装置の製造方法および基板処理装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、請求項１に記載のように、
反応ガスとしてモノシランとモノゲルマンとを使用し、反応炉内において、減圧ＣＶＤ法により、基板上にＭＯＳトランジスタのゲート電極としてボロンドープポリシリコンゲルマニウムまたはボロンドープアモルファスシリコンゲルマニウムを成膜する半導体装置の製造方法において、前記反応炉内の圧力を３０Ｐａ以上１２０Ｐａ以下とし、ドーピングガスとして三塩化ホウ素を用い、成膜時における前記三塩化ホウ素の分圧を０．２Ｐａ以上１Ｐａ以下とし、成膜時における前記反応炉内の温度を４５０℃以上５００℃以下とし、成膜時におけるモノシランに対する三塩化ホウ素の流量比を０．００００１７〜０．０２８とすることを特徴とする半導体装置の製造方法を構成する。
【０００８】
また、本発明は、請求項２に記載のように、
基板上にＭＯＳトランジスタのゲート電極としてボロンドープポリシリコンゲルマニウムまたはボロンドープアモルファスシリコンゲルマニウムを成膜する基板処理装置であって、前記基板を処理する反応管と、前記反応管内の前記基板を加熱するヒータと、前記反応管内に成膜用ガスであるモノシランを供給するノズルと、成膜用ガスであるモノゲルマンを供給するノズルと、ドーピングガスである三塩化ホウ素を供給するノズルと、前記反応管内を排気する排気管と、前記反応管内の圧力を３０Ｐａ以上１２０Ｐａ以下とし、成膜時における前記反応炉内の温度を４５０℃以上５００℃以下とし、成膜時におけるモノシランに対する三塩化ホウ素の流量比を０．００００１７〜０．０２８とし、成膜時の前記三塩化ホウ素の分圧を０．２Ｐａ以上１Ｐａ以下に制御する制御装置とを有することを特徴とする基板処理装置を構成する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは鋭意検討の結果、三塩化ホウ素をドーピングガスとして用いた場合においてシリコンゲルマニウム膜中に取り込まれるボロン濃度と三塩化ホウ素の分圧との関係を究明し、その結果に基づいて本発明をなすに到った。
【００１０】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、本発明に係る基板処理装置の一つである縦型減圧ＣＶＤ装置において、反応ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ_４）及びモノゲルマン（ＧｅＨ_４）、ドーピングガスとして三塩化ホウ素を使用し、ウェハ上にボロンドープポリシリコンゲルマニウムまたはボロンドープアモルファスシリコンゲルマニウムを成膜するものである。
【００１１】
上記縦型減圧ＣＶＤ装置の一例であるホットウォール縦型減圧ＣＶＤ装置の反応炉構造概略図を図１に示す。図において、ホットウォール炉を構成し、基板を加熱する４ゾーン（Ｕ、ＣＵ、ＣＬおよびＬ）に分かれたヒータ６の内側に、反応炉１１の外筒である石英製のアウターチューブ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４本の途中供給ノズル１２から反応ガスとしてモノゲルマン、ＳｉＨ_４＋ＧｅＨ_４ノズル１３から反応ガスとしてモノシランとモノゲルマンとの混合ガス、さらにＢＣｌ_３ノズル１４からドーピングガスとして三塩化ホウ素が導入され、反応ガスとドーピングガスとはインナーチューブ２内を上昇し、２種のチューブ１、２の間を下降して排気される。なお、各ガスの供給流量は各ガス供給系にそれぞれ設けられた図示しない流量制御装置により制御される。
【００１２】
複数枚の基板であるウェハ４が垂直方向に積層されて装填された積載基板支持具である石英製のボート３（例えば８インチウェハ用、ウェハ間間隔５．２ｍｍピッチ）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上にボロンドープシリコンゲルマニウム薄膜が形成される。その際、反応炉１１内の圧力を制御するために、Ｎ_２バラスト用バルブ１６を通して窒素（Ｎ_２）を排気系に導入し、その窒素の流量を、コントローラ１７が、圧力計１５の出力信号に基づいて制御する。なお、三塩化ホウ素の分圧は、炉内圧力と、総流量、ＢＣｌ_３流量の比率を調整することにより制御する。しかし、炉内圧力（成長圧力）は、ウェハ面内の膜厚均一性に大きく影響を及ぼすので、本実施形態では、ＢＣｌ_３の流量を増減させることで、ＢＣｌ_３分圧を制御している。すなわち、本実施形態では、Ｎ_２バラスト用バルブ１６と圧力計１５とコントローラ１７とで構成される圧力制御装置と、三塩化ホウ素の流量を制御する流量制御装置（図示せず）とが請求項２に記載の、三塩化ホウ素の分圧を制御する制御装置を構成している。
【００１３】
断熱板５はボート３と装置下部との間を断熱するためのものである。また９はボート回転軸であり、１０はステンレス製蓋である。
【００１４】
図２は、図１に示した基板処理装置を用いる成膜手順を示している。
【００１５】
まず、複数枚のウェハ４をボート３に投入し、反応炉１１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１１内にロード（挿入）する。リアクター（反応炉１１）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Ｎ_２パージを行う。
【００１６】
その後、リアクター内リークチェックを行った後、各原料ガスの流量を設定し、反応炉１１内に各ガスを流しながら成長圧力になるようＮ_２バラストによって安定化させる。このとき、ＢＣｌ_３分圧は成長圧力と総流量、ＢＣｌ_３流量の比率の関係で決まる。しかし、前述のように、成長圧力はウェハ４面内の膜厚均一性に大きく影響を及ぼすので、本実施形態では、ＢＣｌ_３流量を増減させることでＢＣｌ_３分圧を制御する。そして反応炉１１内の成長圧力が安定した後、成膜を行う。
【００１７】
成膜が終了したら、反応ガスの流入を停止し、配管内をＮ_２でサイクルパージし、Ｎ_２でリアクター（反応炉１１）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。
【００１８】
実施の形態例を以下に示す。
【００１９】
図１に示す基板処理装置を用いて、８インチウェハに対してボロンドープシリコンゲルマニウムを成膜した。
【００２０】
この場合の成膜条件は成膜温度４５０〜５００℃、成長圧力３０〜１２０Ｐａ、ＧｅＨ_４／ＳｉＨ_４＝０．０３８、ＢＣｌ_３／ＳｉＨ_４＝０．００００１７〜０．０２８とした。なお、これらの比（ＧｅＨ_４／ＳｉＨ_４、ＢＣｌ_３／ＳｉＨ_４）は、それぞれ、ＳｉＨ_４に対するＧｅＨ_４、ＢＣｌ_３の流量比を示している。
【００２１】
図３は、三塩化ホウ素の分圧を１．０２×１０^−４〜２（Ｐａ）の範囲で制御した内の０．０５〜２Ｐａまでの、三塩化ホウ素の分圧とボロン濃度との関係を示す。
【００２２】
図３に示すように、三塩化ホウ素分圧を増加させることで単調増加し、三塩化ホウ素分圧“ａ”点でボロン濃度がおおよそ飽和することがわかった。この点は、シリコンゲルマニウム膜中に取り込まれるボロンの固溶限界領域付近にある。したがって、三塩化ホウ素の分圧を“ａ”点における分圧すなわち０．１Ｐａ以上とすることにより、ボロンを最大限にドーピングすることができる。また、これから三塩化ホウ素の分圧を制御することにより任意のボロン濃度を得ることができることが判る。
【００２３】
図４は、三塩化ホウ素によってドーピングされたボロンドープシリコンゲルマニウム膜の成膜直後のボロン濃度と抵抗率の関係を示した図である。図から、ボロン濃度の増加と共に抵抗率が低下していることがわかる。逆に、ボロン濃度の低下と共に、抵抗率は増加し、“ｂ”点以下のボロン濃度になると抵抗率が高くなり過ぎ好ましくない。また、ボロン濃度が“ｃ”点より高くなると、ボロン濃度が増加するにもかかわらず、抵抗率が高くなる傾向があり好ましくない。これらのことから、“ｂ”点以上“ｃ”点以下のボロン濃度範囲が、低抵抗化が必要であるゲート電極にとって適した範囲であるといえる。なお、図４の“ｂ”点、“ｃ”点におけるボロン濃度は図３の“ｄ”点、“ｅ”点におけるボロン濃度に対応している。従って、前述のようなゲート電極に適したボロン濃度範囲のシリコンゲルマニウム膜は、三塩化ホウ素の分圧を、図３の“ｄ”点における分圧すなわち０．２Ｐａ以上、“ｅ”点における分圧すなわち１Ｐａ以下とすることによって、成膜されることが判る。なお、三塩化ホウ素の分圧を１Ｐａよりも大きくしても、図３に示したように、膜中のボロン濃度はわずかに増大するのみであり、しかも、図４に示したように、抵抗率は上昇するので、実用上有利ではない。
【００２４】
このことから、三塩化ホウ素の分圧を、０．２Ｐａ以上、１Ｐａ以下とすることで、ゲート電極に適したボロン濃度のシリコンゲルマニウム膜を得ることができることが判る。このようなシリコンゲルマニウム膜の抵抗率は、成膜温度４５０〜５００℃における成膜直後に実現するものであり、このことから、高温（５００℃よりも高い温度）のアニール処理工程を用いなくても、低温（５００℃以下）処理工程のみによって、低抵抗のシリコンゲルマニウム膜を成膜することができることが判る。
【００２５】
なお、上記成膜条件を適宜決定すればアモルファス、ポリの何れの成膜も可能である。
【００２６】
以上に説明したように、本発明の実施によって、縦型減圧ＣＶＤ装置におけるボロンドープポリシリコンゲルマニウムまたはボロンドープアモルファスシリコンゲルマニウムを成膜する半導体の製造方法および基板処理装置において、三塩化ホウ素の分圧を制御することによりゲート電極に適したボロン濃度を得ることができ、高温のアニール処理工程を用いなくても低温で低抵抗化することができる半導体装置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。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の実施によって、減圧ＣＶＤ法によって、適正なボロン濃度のボロンドープポリシリコンゲルマニウムまたはボロンドープアモルファスシリコンゲルマニウムを成膜することを可能とする半導体装置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】本発明の実施の形態例である縦型減圧ＣＶＤ装置の反応炉構造概略を示す図である。
【図２】減圧ＣＶＤ法による成膜手順を説明する図である。
【図３】成膜工程中における三塩化ホウ素分圧とシリコンゲルマニウム膜中のボロン濃度との関係を示す図である。
【図４】シリコンゲルマニウム膜中のボロン濃度とシリコンゲルマニウム膜抵抗率との関係を示す図である。
【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…ステンレス製蓋、１１…反応炉、１２…途中供給ノズル、１３…ＳｉＨ_４＋ＧｅＨ_４ノズル、１４…ＢＣｌ_３ノズル、１５…圧力計、１６…Ｎ_２バラスト用バルブ、１７…コントローラ。

Claims

反応ガスとしてモノシランとモノゲルマンとを使用し、反応炉内において、減圧ＣＶＤ法により、基板上にＭＯＳトランジスタのゲート電極としてボロンドープポリシリコンゲルマニウムまたはボロンドープアモルファスシリコンゲルマニウムを成膜する半導体装置の製造方法において、前記反応炉内の圧力を３０Ｐａ以上１２０Ｐａ以下とし、ドーピングガスとして三塩化ホウ素を用い、成膜時における前記三塩化ホウ素の分圧を０．２Ｐａ以上１Ｐａ以下とし、成膜時における前記反応炉内の温度を４５０℃以上５００℃以下とし、成膜時におけるモノシランに対する三塩化ホウ素の流量比を０．００００１７〜０．０２８とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
基板上にＭＯＳトランジスタのゲート電極としてボロンドープポリシリコンゲルマニウムまたはボロンドープアモルファスシリコンゲルマニウムを成膜する基板処理装置であって、前記基板を処理する反応管と、前記反応管内の前記基板を加熱するヒータと、前記反応管内に成膜用ガスであるモノシランを供給するノズルと、成膜用ガスであるモノゲルマンを供給するノズルと、ドーピングガスである三塩化ホウ素を供給するノズルと、前記反応管内を排気する排気管と、前記反応管内の圧力を３０Ｐａ以上１２０Ｐａ以下とし、成膜時における前記反応炉内の温度を４５０℃以上５００℃以下とし、成膜時におけるモノシランに対する三塩化ホウ素の流量比を０．００００１７〜０．０２８とし、成膜時の前記三塩化ホウ素の分圧を０．２Ｐａ以上１Ｐａ以下に制御する制御装置とを有することを特徴とする基板処理装置。