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JP4131677B2 - Semiconductor device manufacturing method and substrate processing apparatus - Google Patents
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JP4131677B2 - Semiconductor device manufacturing method and substrate processing apparatus - Google Patents

Semiconductor device manufacturing method and substrate processing apparatus Download PDF

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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(Si34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Si34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Si34(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、Si34膜が形成される。
10NH3+3SiH2Cl2→Si34+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、Si34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Si34膜の除去を実現する。
Si34+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Si34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、Si34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、Si34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Si34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Si34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Si34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Si34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→Si34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。
2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Si34の膜厚がクリーニング前の成膜におけるSi34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→Si34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Si34の膜厚に対し、クリーニング後の成膜におけるSi34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Si34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Si34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、Si34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Si34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Si34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]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device in which a thin film is formed on the surface of a semiconductor substrate or the like by a chemical vapor deposition (CVD) method, and in particular, the film thickness formed on the substrate is a residual gas after fluorine gas cleaning. It is related with the method of suppressing that falls by this.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor device manufacturing method adopts a cleaning process for removing a film attached to a reaction furnace in a film forming process (see, for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, in a CVD apparatus capable of heating a plurality of substrates held by a boat in a CVD furnace, nitrogen trifluoride (hereinafter referred to as NF), which is a fluorine-based gas.ThreeA method for dry cleaning the inside of a CVD furnace using a gas is disclosed.
[0003]
The temperature in the CVD furnace is set to 500 ° C. to 650 ° C., and the pressure is set to 1,330 Pa to 26,600 Pa (10 to 200 Torr). With the boat inserted in the CVD furnace, NF is put in the reaction furnace.ThreeGas or NFThreeBy injecting a gas containing 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, or a doped silicon film.
NFThreeIn addition to gas, chlorine trifluoride (hereinafter referred to as ClF)ThreeGas) can also be used, but ClFThreeNF with little damage in the furnace because the gas is highly corrosiveThreeGas 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, while dry cleaning using a fluorine-based gas has an advantage of being maintenance-free, there is 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 problem particularly when a film is formed using a thermochemical reaction such as a thermal CVD method.
[0006]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device in which a film thickness reduction phenomenon does not occur during film formation in a film formation process after the cleaning process even if a cleaning process is incorporated.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, a film forming gas is supplied to a reaction furnace containing a substrate to form a thin film on the substrate by a thermochemical reaction, and the reaction furnace in a state where the substrate is not accommodated. Supplying a fluorine-based gas, a cleaning process for removing the thin film adhered in the reaction furnace in the film formation process by a thermochemical reaction, and in the reaction furnace in a state where the substrate is not accommodated after the cleaning process, NH in a state where the pressure in the furnace is higher than the pressure in the film forming process.ThreeAnd a purging step for purging by supplying a gas.
[0008]
According to the first invention, after the cleaning process using the fluorine-based gas, the NH 2 is kept in a state where the pressure in the furnace is higher than the pressure in the film forming process.ThreeIt has a purge process for supplying gas, and this NH is performed at this high pressure.ThreeSince the cleaning gas residue can be sufficiently decomposed and removed by purging, when the film is formed by a thermochemical reaction, a decrease in film thickness in the film forming process after the cleaning process can be suppressed. Note that all fluorine-containing gases include fluorine. For example, NFThreeGas or ClFThreeThere is.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the film forming gas is supplied in a state where the furnace pressure is lower than the furnace pressure in the purge process in the reaction furnace in a state where the substrate is not accommodated after the purge process. A semiconductor device manufacturing method comprising 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 process, the coating gas is supplied in a state where the pressure in the furnace is lower than the pressure in the purge process, and the coating process for forming the coating film in the reaction furnace is provided. In the film-forming process after cleaning, the film thickness can be further prevented from decreasing.
[0011]
According to a third invention, in the first or second invention, in the film forming step, SiH is used as a film forming gas.2Cl2And NHThreeA method of manufacturing a semiconductor device, wherein a silicon nitride film is formed on a substrate by a thermal CVD method using a gas containing
As in the third invention, NH is performed at a high pressure (higher pressure than the film forming step) after the cleaning step using a fluorine-based gas.ThreePurge is SiH2Cl2And NHThreeAnd a silicon nitride film (SiThreeNFourThis is particularly effective when forming a film.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a reaction furnace for performing a process for forming a thin film on a substrate by a thermochemical reaction, a supply port for introducing a film forming gas into the reaction furnace, and an NF as a cleaning gas in the reaction furnace.ThreeSupply port for supplying fluorine gas such as gas, and NH as purge gas in the reactorThreeNF for cleaning by thermochemical reaction in a supply port for supplying gas, an exhaust port for exhausting the inside of the reaction furnace, and a reaction furnace in a state where no substrate is accommodatedThreeFluorine-based gas such as gas is supplied, and then the furnace pressure is set higher than the pressure at the time of film formation and NH is purged in the reaction furnace in a state in which the substrate is not accommodated.ThreeAnd a control means for controlling to supply gas.
According to the fourth invention, NF is used for cleaning.ThreeFluorine-based gas such as gas is supplied, and then the furnace pressure is set higher than the pressure at the time of film formation and NH is purged.ThreeSince a thin film is formed on a substrate using a substrate processing apparatus having control means for controlling supply of gas, the semiconductor device manufacturing method of the first invention can be easily implemented.
[0013]
According to a fifth invention, in the fourth invention, the control means is NF for cleaning by a thermochemical reaction in a reaction furnace in a state in which the substrate is not accommodated.ThreeFluorine-based gas such as gas is supplied, and then the furnace pressure is set higher than the pressure at the time of film formation and NH is purged.Three, And thereafter, the furnace pressure is controlled to be lower than the pressure at the time of purging to supply a film forming gas for coating.
According to the fifth aspect of the invention, since the control means is further provided with a control function to supply the film forming gas for the coating after the purge, the semiconductor device manufacturing method of the second to fourth aspects of the invention can be easily performed. Can be implemented.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below. 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 carrying out 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 reaction furnace 1 that performs a process of forming a thin film on a wafer by a thermochemical reaction, and a vacuum prechamber (load lock chamber) disposed under the reaction furnace 1 via a furnace port gate valve 8. ) 13.
[0015]
The reaction furnace 1 includes a heater 14, a double reaction tube 2 that is heated by the heater 14, and a furnace port flange 6 that is connected to the bottom of the double reaction tube 2 and supports the double reaction tube 2. The 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 cylinder shape with the head closed and the bottom open. The inner tube 5 has a cylindrical shape with its head and bottom open, and is disposed coaxially so as to constitute a furnace space 4 having an upper end opened inside the outer tube 3. The furnace space 4 includes not only the inner space of the outer tube 3 but also the cylindrical exhaust space 7 formed in the gap between the outer tube 3 and the inner tube 5 and the inner space of the furnace port flange 6. The outer tube 3 and the inner tube 5 are erected on the furnace port flange 6, and the outer tube 3 and the furnace port flange 6 are sealed by an O-ring 16. The inner tube 5 is placed on a support portion 5 a provided in the furnace port flange 6. The lower end opening of the furnace port flange 6 is airtightly closed by an openable / closable furnace port gate valve 8.
[0016]
The furnace port flange 6 constitutes a furnace port part 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 at a position below the exhaust port space 7 of the furnace port flange 6. Therefore, the gas supply port 15 and the gas exhaust port 17 communicate with each other through the furnace space 4. A plurality of gas supply ports 15 are provided, and a plurality of gas types (film forming gas, NFThree, NHThree, N2Gas) is supplied into the reaction tube 2, but in the illustrated example, only one is shown for convenience. The reaction tube 2, the heater 14 and the furnace port flange 6 described above are accommodated in the casing 24. Further, a heat insulating material 18 is provided between the outer tube 3 and the casing 24. Supplyed through the gas supply port 15 so that the furnace space 4 in the reaction tube 2 can be evacuated by the vacuum pump 19 through the gas exhaust port 17 with the furnace port gate valve 8 completely sealed at the lower end opening of the furnace port flange 6. The exhausted gas can be discharged.
[0017]
The vacuum prechamber 13 allows the boat 11 to be taken in and out of the reaction tube 2 while keeping 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 space 23 where the boat 11 exists can be evacuated by the vacuum pump 19 through the gas exhaust port 21 and the gas supplied through the gas supply port 25 can be discharged. In the vacuum preparatory chamber 13, a boat 11 erected on a furnace port seal cap 12 via a boat support 9 is disposed. In the boat 11, wafers 10 to be processed in the reaction furnace 1 are horizontally arranged in multiple stages. Loaded. When the boat elevator 40 is lifted, the boat 11 is lifted together with the furnace port seal cap 12 and the boat support 9, the furnace port gate valve 8 is opened and passes through the open furnace port, and the inner tube 5 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 part of the reactor 1 is covered with the furnace port seal cap 12, and the furnace is sealed by the O-ring 20 provided in the furnace port seal cap 12. The space 4 is sealed. Further, the boat 10 is unloaded by lowering the boat 11 with the boat elevator 40 and extracting it from the reactor 1. After unloading the wafer, the furnace space 4 is again sealed by closing the furnace gate valve 8 at the lower end opening of the furnace opening 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. Valves 31 and 33 for opening and closing 21 are provided.
[0019]
Further, as schematically shown in FIG. 2, the reaction furnace includes a control unit 22 that controls operation of each part constituting the reaction furnace. NFThreeCleaning process, NHThreeA purge process and a coating process are performed. Therefore, the control means 22 controls the boat elevator 40, the furnace gate valve 8 and the heater 14 to move the boat up and down and adjust the temperature in the reaction furnace. Further, the control means 22 controls the valve 31 and the vacuum pump to evacuate the reaction furnace 1 or controls the pressure in the reaction furnace 1 to a predetermined pressure described later. The gas supply port 15, here three NFsThreeGas supply port 15a, NHThreeGas supply port 15b, SiH2Cl2The valves 27a, 27b and 27c provided in the gas supply port 15c are controlled, and a film forming gas is used for film formation by a thermal CVD method using a thermochemical reaction while the wafer 10 is accommodated in the reaction furnace 1. Or supply. Further, NF is used for cleaning by the thermal CVD method without containing the wafer 10 in the reaction furnace 1.ThreeOr after that the furnace pressure is higher than the pressure at the time of film formation and NH for purgingThreeAnd a function of supplying a film forming gas for coating by lowering the pressure in the furnace below the pressure at the time of purging.
[0020]
Next, the vertical reactor 1 forms Si on the substrate as one step of the semiconductor device manufacturing process.ThreeNFourAn example of a method for forming a film will be described. As the process, mainly,
(1) A film forming process for supplying a film forming gas into the vertical reactor 1 to form a thin film on the wafer 10;
(2) NF in the reactor 1 in a state where the wafer 10 is not accommodated.ThreeA cleaning step of supplying a gas and removing a thin film adhering in the reaction furnace 1 in the film-forming step;
(3) In the reaction furnace 1 in a state where the wafer 10 is not accommodated after the cleaning process, the NH pressure is set to be higher than the furnace pressure in the film forming process.ThreeA purge process for supplying and purging gas;
(4) A thin film is formed in the reaction furnace 1 by supplying a deposition gas into the reaction furnace 1 in a state where the wafer 10 is not accommodated after the purge process in a state where the furnace pressure is lower than the furnace pressure in the purge process. Coating process
Is mentioned. Hereinafter, these steps will be described in order.
[0021]
(Film formation process)
The film forming process will be described with reference to FIG. In the film forming step, first, the furnace gate gate valve 8 (see FIG. 1) is opened by the control means 22 (see FIG. 2), and the boat elevator 40 is lifted to raise the boat 11 holding a large number of wafers 10. 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 portion of the reaction furnace 1, and the furnace space 4 is in a sealed state. Thereafter, the control means 22 controls the valve 31 and the vacuum pump 19 to suck the gas in the furnace space 4 so that the furnace space 4 is brought into a vacuum state or a predetermined reduced pressure state. Next, when the furnace space 4 is in a vacuum or in a predetermined reduced pressure state, the control means 22 controls the heater 14 to set the temperature of the furnace space 4 to a predetermined film formation 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 may be performed before the wafer 10 is loaded into the reaction furnace 1.
[0023]
When the wafer temperature reaches the film formation temperature and stabilizes, SiH is used as the film formation gas.2Cl2(Dichlorosilane: DCS) and NHThree(Ammonia) is flowed into the furnace space 4 from the gas supply ports 15c and 15b under the control of the control means 22, and Si is deposited on the wafer 10 by the thermal CVD method.ThreeNFour(Silicon nitride film) is formed. At this time, the film space is supplied from the gas supply ports 15 c and 15 b to the furnace space 4 and is exhausted from the gas exhaust port 17. In this case, the following reaction occurs, and SiThreeNFourA film is formed.
10NHThree+ 3SiH2Cl2→ SiThreeNFour+ 6NHFourCl + 6H2
Of these, the reaction products are mainly NH.FourCl. NHFourCl is cooled in a water trap (not shown), and is precipitated and removed from the exhaust gas.
[0024]
SiThreeNFourThe 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)
In addition, as a film forming gas, SiH2Cl2+ NHThreeInstead of BTBAS (Bicterary butylaminosilane) + NHThree, Si2Cl6+ NHThreeOr SiClFour+ NHThreeMay be used.
[0025]
Next, after the film formation is completed, N 2 is introduced into the reaction furnace 1 from the gas supply port 15 under the control of the control means 22.2The residual gas in the outer tube 3 is exhausted from the gas exhaust port 17 by exhausting from the gas exhaust port 17 by the vacuum pump 19 while supplying an inert gas such as.
Finally, the boat 11 holding the deposited wafer 10 is moved (unloaded) to the space 23 in the vacuum preliminary chamber 13 and the furnace gate valve 8 (see FIG. 1) is closed. After the wafer 10 is cooled to a predetermined temperature, the wafer 10 is recovered.
When such a film forming process is repeated for a predetermined batch, the film is deposited in the reaction furnace 1. The adhered film is removed in the next cleaning step.
[0026]
(Cleaning process)
The cleaning process 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 unillustrated boat elevator is lifted to load an empty boat 11 that does not hold the wafer 10 into the reaction tube 2 of the reaction furnace 1. . When the boat 11 reaches a predetermined position in the reaction furnace 1, the furnace port seal cap 12 hermetically closes the furnace port portion of the reaction furnace 1, and the furnace space 4 is sealed. Thereafter, the control means 22 controls the valve 31 and the vacuum pump 19 to bring the furnace space 4 into a vacuum or a predetermined reduced pressure state. When the vacuum or the predetermined pressure is reached, the control means 22 controls the heater 14 to control the furnace space. 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 may be performed before the boat 11 is loaded into the reaction furnace 1. When the furnace space 4 reaches the cleaning temperature and stabilizes, the valve 27a is controlled by the control means 22 and the NF is supplied from the gas supply port 15a.ThreeGas flows into the furnace space 4. At this time, NF is introduced into the furnace space 4 from the gas supply port 15a.ThreeThe gas is exhausted from the gas exhaust port 17 while supplying gas.
[0027]
As the cleaning gas, NF, which is a fluorine-based gas, is used.ThreeGas or NFThreeA gas containing a gas is used. Since the fluorine-based gas is used, it is not necessary to desorb the quartz reaction tube, which is necessary when performing wet cleaning such as HF (hydrogen fluoride) solution or DIW (pure). Fluorine gas is ClFThreeBut NFThreeGas or NFThreeWhen a gas containing a gas is used, ClFThreeUnlike chlorine, since it does not contain chlorine, it is less corrosive and polluting, and less damage to the quartz surface. NFThreeIs ClFThreeThe decomposition temperature is higher than that, and a furnace temperature of 500 ° C. or higher is required.
[0028]
Next, NFThreeThe cleaning conditions when using gas will be described. The furnace temperature during cleaning is preferably 500 ° C. to 650 ° C. in view of the relationship between the accumulated film thickness and the apparatus down time. In addition, an optimum result is obtained by setting the pressure in the furnace during cleaning to about 1,330 Pa to 66,500 Pa (10 Torr to 500 Torr).
[0029]
That is, NFThreeHas a high decomposition temperature, and if it is less than 500 ° C., etching cannot be performed. If the furnace temperature is too high, the temperature of the metal part of the furnace port composed of the furnace port flange 6 and the like also rises and corrosion progresses. In particular, when the furnace temperature is higher than 650 ° C., the temperature of the metal part of the furnace opening, for example, Hastelloy, exceeds the limit temperature (200 ° C.) and corrodes. Therefore, the furnace temperature during cleaning is preferably 500 ° C. to 650 ° C.
On the other hand, if the pressure is less than 1,330 Pa, the etching rate becomes slow and a practical etching rate cannot be obtained. Conversely, if the pressure is greater than 66,500 Pa, pressure control becomes difficult. Therefore, the furnace pressure during cleaning is preferably 1,330 Pa to 66,500 Pa.
[0030]
By the way, NFThreeThe gas reacts as follows by thermal decomposition to form Si.ThreeNFourRealize film removal.
SiThreeNFour+ 4NFThree→ 3SiFFour+ 4N2
In this reaction formula, SiFFourIs discharged as gas.
[0031]
(Purge process)
Next, the purge process will be described. The purge process is performed continuously with the cleaning process after the cleaning process. That is, as shown in FIG. 4, the process is performed in a state where an empty boat 11 is accommodated in the reaction furnace 1 as in the cleaning process. In the purge process, first, the control means 22 sets the pressure in the furnace space 4 to a predetermined pressure higher than the pressure in the furnace in the film forming process, 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 into the furnace space 4 from the gas supply port 15b.ThreeGas is supplied, and the residual gas remaining in the furnace space 4 in the cleaning process in the reaction furnace 1 is decomposed and discharged from the gas exhaust port 17. At this time, NH as a purge gas is introduced into the furnace space 4 from the gas supply port 15b.ThreeThe gas is exhausted from the gas exhaust port 17 while supplying the gas. The predetermined pressure may be the same as, higher than, or lower than the pressure in the furnace in the cleaning process, but is preferably a high pressure from the viewpoint of the purge effect.
Where NHThreePurge 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, NHThreeLow activity (NHThreeHowever, if the temperature is higher than 900 ° C., there is a problem in heat resistance. Therefore, the above-mentioned NH of 700 to 900 ° C.ThreeIs effective in a temperature range that is sufficiently activated and heat resistant. If the pressure is less than 1,300 Pa, NHThreeIf the activity is weak and the pressure is higher than atmospheric pressure, overpressure is applied. Therefore, the above-mentioned 1,300 Pa to atmospheric pressure, NHThreeIs effective in a high pressure treatment range in which is sufficiently activated and over-pressurized. If the flow rate is less than 300 sccm, NHThreeThe activity is weak, and if it is greater 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 30 min, NHThreeIf the activity is weak and longer than 60 min, the tact time is lost. Therefore, the time within the above range is effective.
[0032]
Thus, after the cleaning process, the purge gas (NHThree) Is supplied to purge the inside of the reactor 1 so that the NFThreeEven if the residual fluorine level in the vertical reactor 1 after gas cleaning is high, NHThreeBy performing the purge at 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 remaining in the furnace 1 (NFThree) Can be reduced. Therefore, in the film-forming process after the cleaning process, Si caused by residual fluorineThreeNFourIt is possible to prevent a decrease in film thickness during film formation. In particular, when the purge gas is supplied after the cleaning process in a state where the pressure in the furnace is higher than the pressure in the cleaning process, the cleaning gas (NFThree) Can be further reduced, SiThreeNFourIt is possible to more effectively prevent the film thickness from being reduced during film formation.
[0033]
(Coating process)
Next, the coating process will be described. The coating process is performed continuously with the purge process after the purge process. That is, as shown in FIG. 4, the process is performed in a state where an empty boat 11 is accommodated in the reaction furnace 1 as in the purge process. In the coating process, NF, which is a cleaning gasThreeIn order to further eliminate the influence of gas, the inner wall of the reaction tube 2 is coated. As the coating gas, the same gas as the deposition gas, that is, SiH2Cl2+ NHThreeIs 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 to set the furnace space 4 to a predetermined pressure lower than the pressure in the furnace in the purge process, and the heater 14 is controlled. Thus, 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 to supply SiH as a coating gas from the gas supply ports 15c and 15b.2Cl2, NHThreeIs introduced into the furnace space 4 and a coating film is formed in the reaction tube 2 by thermal CVD. At this time, the furnace space 4 is exhausted while supplying the coating gas from the gas supply ports 15c and 15b.
As 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 mm are preferable. If the thickness of the coating film is less than 500 mm, the effect of removing fluorine is weak. Therefore, a film thickness range that can sufficiently remove the above-described fluorine of 500 to 1500 mm and is not excessive is effective.
[0036]
Thus, after the purge process, the coating gas (SiH2Cl2+ NHThree) And a coating process for forming a coating film in the reactor 1 is provided.ThreeEven if the residual fluorine level in the vertical reactor 1 after gas cleaning is high, NHThreeIn addition to performing the purging at a high pressure and further forming a coating film, the residual gas can be effectively removed, and the cleaning gas (NF) remaining in the vertical reactor 1 can be removed.Three) Can be further reduced. Therefore, in the film-forming process after cleaning, SiThreeNFourFurther reduction of the film thickness can be prevented.
As a film type using dry cleaning, SiThreeNFourIn addition to the film, there is a Poly-Si film. In the case of a Poly-Si film, a thick film called an empty deposit is generally formed after cleaning, but the effect of the cleaning gas can be confined by performing the empty deposit. But usually SiThreeNFourSince such a thick film empty deposition is not performed on the film, a decrease in the film thickness particularly in the film formation after cleaning has been a problem. Therefore, the present invention capable of suppressing a decrease in film thickness is a Si film that does not perform thick film empty deposition as in the embodiment.ThreeNFourThis is particularly effective when forming a film.
[0037]
<Example>
Hereinafter, N after the cleaning process2When the purge process is performed and then the coating process is performed, and after the cleaning process, NHThreeSi formed in the film forming process before and after purging and then the coating processThreeNFourThe difference in film thickness difference will be described. In addition, the film thickness of the coating layer in the coating process performed in common after the purge process was 979 mm.
FIG. 5 shows N after the cleaning process.2It is a graph at the time of purging. That is, film formation →... (Repeat) → film formation → (film thickness measurement A) → NFThreeCleaning → N2Purge → SiThreeNFourThe film thickness measured before cleaning (film thickness measurement A) and the film thickness measured after cleaning (film thickness measurement B) in a series of film formation cycles of coating (979 cm) → film formation → (film thickness measurement B) Shows changes.
N2The purge conditions were a temperature of 760 ° C., N2The gas flow rate is 800 sccm, the pressure is 200 Pa, and the processing time is 60 minutes. Black circle marks, black triangle marks, and black square marks in the graph indicate 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, Si in the film formation after cleaning at any measurement location.ThreeNFourThe film thickness of Si in the film formation before cleaning isThreeNFourThe film thickness is reduced by 20 mm or more.
[0038]
FIG. 6 shows NH after the cleaning process.ThreeIt is a graph at the time of purging. That is, film formation →... (Repeat) → film formation → (film thickness measurement A) → NFThreeCleaning → NHThreePurge → SiThreeNFourThe film thickness measured before cleaning (film thickness measurement A) and the film thickness measured after cleaning (film thickness measurement B) in a series of film formation cycles of coating (979 cm) → film formation → (film thickness measurement B) It shows a change.
NHThreeThe purge conditions are as follows: temperature 760 ° C., NHThreeThe gas flow rate is 800 sccm, the pressure is 200 Pa, and the processing time is 60 minutes. Black circle marks, black triangle marks, and black square marks in the graph mean data at three locations, Top, Center, and Bottom, as in FIG. As can be seen from the figure, Si in the film formation before cleaning at any measurement location.ThreeNFourSi in the film formation after cleaning with respect to the film thickness ofThreeNFourThere is almost no decrease in film thickness.
[0039]
From these results, NFThreeNH after cleaning at a pressure higher than the deposition pressureThreeWhen purging, N2Compared to purging, Si in film formation after cleaningThreeNFourIt can be seen that the decrease in film thickness can be greatly suppressed. This is the remaining NFThreeActive NHThreeThis is because fluorine can be removed by decomposition.
[0040]
As described above, according to the embodiment, the pressure in the furnace is made higher than the pressure in the film forming step in the state where the wafer 10 is not accommodated in the outer tube 3 after the cleaning step, and the purge gas is used as the purge gas. NHThreeThe cleaning gas (NF) remaining in the outer tube 3 by supplying the gasThreeSi) formed in the film-forming process after the cleaning process.ThreeNFourTherefore, the maintenance-free and stable film thickness and film quality can be achieved at the same time. As a result, 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 process, a purging process, and a coating process in a state where an empty boat 11 is inserted into the reaction furnace 1 and the reaction furnace 1 is covered with a furnace port seal cap 12. As described above, the cleaning process, the purging process, and the coating process may be performed without inserting the boat 11 into the reaction furnace 1, that is, with the reactor gate gate valve 8 covering the reaction furnace 1.
[0042]
In the above embodiment, the reaction tube has a double structure, but the present invention can also be applied to a reaction furnace having a single structure reaction tube. Although a batch type vertical reactor has been described, it can also be applied to a single wafer type. In addition, any semiconductor device manufacturing method can be used as long as it is a process of forming a film after performing a treatment using a fluorine-based gas. SiThreeNFourAlthough the case where a film is formed has been described, the present invention can also be applied to the case where another film type is formed. Furthermore, 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 process using a fluorine-based gas, the pressure in the furnace is set higher than the pressure in the film-forming process so that the inside of the reaction furnace is NH.ThreeSince it has a purge step of purging with gas, a decrease in film thickness is suppressed in the film formation step after the 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 carrying out a method of forming a thin film on a substrate as a process of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating a control system of a substrate processing apparatus for carrying out a semiconductor device manufacturing method according to an embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a state during a film forming process according to the embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing in common a state during a cleaning process, a purge process, and a coating process according to the embodiment.
FIG. 5 shows N after the conventional cleaning process.2Si in the film-forming process after cleaning when purging is performedThreeNFourIt is explanatory drawing which shows the change of the film thickness.
FIG. 6 shows NH after the cleaning process of the embodiment.ThreeSi in the film-forming process after cleaning when purging is performedThreeNFourIt is explanatory drawing which shows the change of the film thickness.
[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 exhaust port

Claims (2)

基板を収容した反応炉内にSiH Cl 、BTBAS、Si Cl 、またはSiCl と、NH 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。
Silicon nitride is formed on the substrate by a thermochemical reaction by supplying a gas containing SiH 2 Cl 2 , BTBAS, Si 2 Cl 6 , SiCl 4 , and NH 3 as a film forming gas into a reaction furnace containing the substrate. A film forming step for forming a film;
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 silicon nitride film adhering to the reaction furnace in the film formation step by a thermochemical reaction;
Purging the reaction furnace by supplying NH 3 gas into the reaction furnace in a state where the substrate is not accommodated after the cleaning process in a state where the furnace pressure is higher than the furnace pressure in the film forming process. A purging step to be performed;
After the purge step, the same gas as the film forming gas is supplied into the reaction furnace that does not contain the substrate, and a silicon nitride film having a thickness of 500 to 1500 mm is formed in the reaction furnace by a thermochemical reaction. A coating process to be formed;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
基板上に薄膜を形成する処理を行う反応炉と、A reactor for performing a process of forming a thin film on a substrate;
前記反応炉内にSiHSiH in the reactor 2 ClCl 2 、BTBAS、Si, BTBAS, Si 2 ClCl 6 、またはSiClOr SiCl 4 を含むガスを供給する供給口と、A supply port for supplying a gas containing,
前記反応炉内にフッ素系ガスを供給する供給口と、A supply port for supplying a fluorine-based gas into the reaction furnace;
前記反応炉内にNHNH in the reactor 3 ガスを供給する供給口と、A supply port for supplying gas;
前記反応炉内を排気する排気口と、An exhaust port for exhausting the reaction furnace;
前記基板を収容した反応炉内にSiHSiH is contained in the reactor containing the substrate. 2 ClCl 2 、BTBAS、Si, BTBAS, Si 2 ClCl 6 、またはSiClOr SiCl 4 と、NHAnd 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NHAnd forming a silicon nitride film on the substrate by a thermochemical reaction, and then supplying a fluorine-based gas into the reaction furnace in a state in which the substrate is not accommodated. Supplying and performing cleaning to remove the silicon nitride film adhering to the reactor by the film formation by thermochemical reaction, and thereafter, the furnace pressure is set in the reactor without containing the substrate. NH in a state higher than the pressure in the furnace in the film 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、Purging the inside of the reaction furnace by supplying a gas, and then in the reaction furnace in a state in which the substrate is not accommodated, the film-forming gas in a state where the furnace pressure is lower than the furnace pressure in the purge A control means for supplying the same gas and controlling the coating to form a silicon nitride film in the reaction furnace having a film thickness of 500 to 1500 mm in the reaction furnace by a thermochemical reaction;
を有することを特徴とする基板処理装置。A substrate processing apparatus comprising:
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