JP6150724B2 - 凹部を充填する方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、凹部を充填する方法及び処理装置に関するものである。

半導体装置といったデバイスの製造においては、絶縁膜に形成されたスルーホール又はコンタクトホールといった凹部内に、シリコンを充填する処理が行われることがある。凹部に充填されたシリコンは、例えば、電極として利用され得る。このような処理は、例えば、特許文献１に記載されている。

具体的に、特許文献１に記載された処理では、被処理体において凹部を画成する壁面上に多結晶シリコン膜が形成される。次いで、多結晶シリコン膜上にアモルファスシリコン膜が形成される。その後、被処理体がアニールされる。特許文献１に記載された処理では、被処理体のアニールにより、アモルファスシリコンを凹部の底に向かって移動させ、当該アモルファスシリコンによって凹部を充填することが意図されている。

特開平１０−５６１５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された処理では、アニールによってアモルファスシリコンを凹部の底に移動させる際に、アモルファシリコンが凝集し、ボイドやシームと称される空洞が形成される。

このような背景から、凹部の充填において空洞の発生を抑制することが要請されている。

一側面においては、被処理体の凹部を充填する方法が提供される。被処理体は、半導体基板、及び、該半導体基板上に設けられた絶縁膜を有する。凹部は、半導体基板まで延在するよう絶縁膜を貫通している。この方法は、凹部を画成する壁面に沿って不純物がドープされた第１の半導体層を形成する工程（ａ）であり、該第１の半導体層は、凹部を画成する側壁面に沿って延びる第１のアモルファス半導体領域を含む、該工程（ａ）と、第１の半導体層上に、該第１の半導体層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有し且つ該第１の半導体層の膜厚よりも小さい膜厚を有する第２の半導体層を形成する工程（ｂ）であり、該第２の半導体層は前記第１のアモルファス半導体領域上に形成される第２のアモルファス半導体領域を含む、該工程（ｂ）と、被処理体をアニールする工程（ｃ）であり、凹部の底に、第１の半導体層及び第２の半導体層から半導体基板の結晶に応じたエピタキシャル領域を形成する、該工程（ｃ）と、第１のアモルファス半導体領域及び第２のアモルファス半導体領域をエッチングする工程（ｄ）と、を含む。第１の半導体層及び第２の半導体層を構成する半導体材料は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、又はシリコンゲルマニウムである。また、不純物は、例えば、リン、ボロン、又はヒ素である。一形態においては、第２の半導体層は、アンドープの半導体層であってもよい。また、一形態においては、工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）を含むシーケンスが繰り返されてもよい。

上記方法によれば、工程（ｃ）のアニールにより、凹部の底にエピタキシャル領域が形成される。このエピタキシャル領域は、第１の半導体層から形成される第１部分、及び、第２の半導体層から形成される第２部分を含み、第１部分は第２部分によってキャップされる、即ち、覆われる。また、第２部分は、第１部分の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有するか、又はアンドープの部位となる。第１部分は、比較的高い濃度の不純物を含有しているので、第１のアモルファス半導体領域及び第２のアモルファス半導体領域のエッチングレートよりも小さいものの、これらアモルファス半導体領域のエッチングレートに比較的近いエッチングレートを有している。本方法では、この第１部分が第２部分で覆われているので、工程（ｄ）におけるエッチングによって、エピタキシャル領域を残して、第１のアモルファス半導体領域及び第２のアモルファス半導体領域を除去することができる。本方法では、このように形成されたエピタキシャル領域によって凹部を充填することができるので、凹部内の空洞の発生を抑制することが可能となる。

また、一形態の方法は、工程（ａ）の前に、ライナー層を形成する工程を更に含んでいてもよい。この形態では、ライナー層は、アンドープの半導体層であり、側壁面に沿った第３のアモルファス半導体領域を含み、第１の半導体層はライナー層上に形成される。この形態の方法によれば、アンドープのライナー層が、凹部を画成する壁面と第１の半導体層の間に形成されるので、工程（ｃ）のアニールに起因するマイグレーションを抑制することが可能である。

また、一形態においては、第１の半導体層、第２の半導体層、及び、ライナー層は、シリコンから構成されていてもよく、一形態の方法は、ライナー層を形成する工程の前に、アミノシラン系ガス又は高次シランガスから形成されるシード層を形成する工程を更に含んでいてもよく、シード層は凹部を画成する壁面上に形成され、ライナー層は、シード層上に形成されてもよい。このシード層により、当該シード層とその上に形成される半導体層の間の界面における表面エネルギーが低減される。これにより、シード層上に形成される半導体層の表面の平坦性が向上される。

別の側面においては、上述した方法の実施に用いることが可能な処理装置が提供される。この処理装置は、容器、ガス供給部、加熱装置、及び、制御部を備える。容器は、被処理体を収容する空間を画成する。ガス供給部は、不純物原料のガス及び半導体原料のガスを含む第１のガス、半導体原料の第２のガス、及び、エッチング用の第３のガスを供給するように構成されている。加熱装置は、容器内の空間を加熱するよう構成されている。制御部は、ガス供給部及び加熱装置を制御するよう構成されている。この制御部は、第１制御、第２制御、第３制御、及び第４制御を実行する。第１制御において、制御部は、容器内に第１のガスを供給するようガス供給部を制御し、容器内の空間を加熱するよう加熱装置を制御する。第１制御の後の第２制御において、制御部は、容器内に第２のガスを供給するようガス供給部を制御し、容器内の空間を加熱するよう加熱装置を制御する。第２の制御後の第３の制御において、制御部は、容器内の空間を加熱するよう加熱装置を制御する。第３制御の後の第４制御において、制御部は、容器内に第３のガスを供給するようガス供給部を制御する。この処理装置によれば、上述した凹部を充填する方法の実施が可能となる。一形態において、制御部は、第１の制御、第２の制御、第３の制御、及び第４の制御を含むシーケンスを繰り返してもよい。

また、一形態においては、ガス供給部は、半導体原料の第４のガスを容器内に更に供給可能であってもよく、制御部は、第１の制御の前に、第４のガスを容器内に供給するようガス供給部を制御し、容器内の空間を加熱するよう加熱装置を制御するためする第５の制御を更に実行してもよい。また、一形態においては、第１のガス、第２のガス、及び第４のガスはシリコンを含有し、ガス供給部は、アミノシラン系ガス又は高次シランガスを容器内に更に供給可能であってもよく、制御部は、第５の制御の前に、アミノシラン系ガス又は高次シランガスを容器内に供給するようガス供給部を制御し、容器内の空間を加熱するよう加熱装置を制御するための第６の制御を更に実行してもよい。

以上説明したように、本発明の種々の側面及び形態によれば、凹部の充填において空洞の発生を抑制することが可能となる。

一実施形態に係る凹部を充填する方法を例示する流れ図である。 図１に示す方法の各工程後の被処理体の状態を例示する図である。 図１に示す方法の一工程後の被処理体の状態を例示する図である。 図１に示す方法の一工程後の被処理体の状態を例示する図である。 一実施形態に係る方法の実施に用いることが可能な処理装置を概略的に示す例示的な図である。 図５に示す処理装置の制御部の構成を示す例示的な図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、一実施形態に係る凹部を充填する方法を例示する流れ図である。図１に示す方法ＭＴは、被処理体の凹部を画成する壁面に沿って半導体層を形成して、当該被処理体をアニールすることにより、凹部の底に半導体層に基づくエピタキシャル領域を形成し、エピタキシャル領域により、当該凹部を全体的に又は部分的に充填するものである。

図２、図３、及び図４は、図１に示す方法の一工程後の被処理体の状態を例示する図である。なお、図２、図３、及び図４においては、被処理体の一部の拡大断面図が示されている。図２の（ａ）に示すように、被処理体（以下、「ウエハ」という）Ｗは、半導体基板ＳＢ、及び、絶縁膜ＩＳを含んでいる。半導体基板ＳＢは、単結晶半導体基板又は多結晶半導体基板であり、例えば、単結晶シリコン基板又は多結晶シリコン基板である。この半導体基板ＳＢ上には、絶縁膜ＩＳが設けられている。絶縁膜ＩＳは、例えば、ＳｉＯ_２又はＳｉＮから構成されている。この絶縁膜ＩＳには、トレンチ又はスルーホールといった凹部ＤＲが、当該絶縁膜ＩＳを貫通して半導体基板ＳＢまで達するように形成されている。この凹部ＤＲは、例えば、絶縁膜ＩＳ上にマスクを形成し、当該絶縁膜ＩＳをエッチングすることによって、形成することができる。一実施形態においては、凹部ＤＲは、絶縁膜ＩＳを貫通し、且つ、半導体基板ＳＢと絶縁膜ＩＳとの境界面よりも深さ方向に当該半導体基板ＳＢを彫り込むことによって形成されている。これにより、汚染が抑制された半導体基板ＳＢの面を凹部ＤＲに露出させることが可能となる。かかる凹部ＤＲは、例えば、２００ｎｍの深さ、４０ｎｍ〜５０ｎｍの幅を有し得る。

このようなウエハＷに対して、一実施形態に係る方法ＭＴでは、工程ＳＴ３〜ＳＴ６が行われる。また、一実施形態に係る方法ＭＴでは、工程ＳＴ３〜ＳＴ６を含むシーケンスが、繰り返される。工程ＳＴ３は、ウエハＷの凹部ＤＲを画成する壁面に沿って、第１の半導体層を形成する工程であり、工程ＳＴ４は、第２の半導体層を形成する工程であり、工程ＳＴ５は、ウエハＷをアニールする工程であり、工程ＳＴ６は、工程ＳＴ５のアニール後に残されるアモルファスシリコン領域をエッチングする工程である。また、更なる実施形態では、シーケンスは、工程ＳＴ３の前に実行される工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２を含み得る。工程ＳＴ１は、シード層を形成する工程であり、工程ＳＴ２は、ライナー層を形成する工程である。

ここで、工程ＳＴ１〜工程ＳＴ６の実施に用いることが可能な処理装置の一例について説明する。図５は、一実施形態に係る方法の実施に用いることが可能な処理装置を概略的に示す例示的な図である。図５に示す装置は、工程ＳＴ１〜工程ＳＴ６の実施に用いることができるが、工程ＳＴ１〜ＳＴ６はそれぞれ、別の処理装置においても実施することが可能である。

図５に示す処理装置１０は、容器１２を備えている。容器１２は、略円筒形状を有する反応管であり、当該容器１２の長手方向は垂直方向に向いている。容器１２は、二重管構造を有しており、内管１４及び外管１６を含んでいる。内管１４及び外管１６は、耐熱及び耐腐食性に優れた材料、例えば、石英により形成されている。

内管１４は、略円筒形状を有しており、上端及び下端を含んでいる。内管１４の上端及び下端は開放されている。外管１６は、当該内管１４を覆うように当該内管１４と略同軸に設けられている。外管１６と内管１４との間には一定の間隔が設けられている。外管１６の上端は閉塞されており、当該外管１６の下端は開放されている。

外管１６の下方には、マニホールド１８が設けられている。マニホールド１８は、筒状に形成されており、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）から構成されている。マニホールド１８は、外管１６の下端と気密に接続されている。また、マニホールド１８の内壁には、当該内壁から内側に突出する支持リング２０が一体に形成されている。この支持リング２０は、内管１４を支持している。

マニホールド１８の下方には、蓋体２２が設けられている。この蓋体２２は、ボートエレベータ２４に接続されており、当該ボートエレベータによって上下動可能に構成されている。ボートエレベータ２４により蓋体２２が上昇すると、マニホールド１８の下方側（即ち、炉口部分）が閉鎖される。一方、ボートエレベータ２４により蓋体２２が下降すると、マニホールド１８の下方側（即ち、炉口部分）が開口される。

蓋体２２上には、ウエハボート２６が載置されている。ウエハボート２６は、例えば、石英から構成される。ウエハボート２６は、複数のウエハＷを垂直方向に所定の間隔をおいて収容することが可能であるよう構成されている。

容器１２の周囲には、当該容器１２を取り囲むように、断熱体２８が設けられている。断熱体２８の内壁面には、ヒータ３０（加熱装置）が設けられている。ヒータ３０は、例えば、抵抗発熱体から構成されている。このヒータ３０により、容器１２の内部の空間が所定の温度に加熱される。これにより、ウエハＷが加熱される。

マニホールド１８の側面には、一以上のガス導入管３２が接続されている。ガス導入管３２は、例えば、支持リング２０より下方においてマニホールド１８の側面に接続されている。このガス導入管３２によって構成されるガスラインは、容器１２の内部に連通している。

ガス導入管３２には、ガス供給部ＧＦが接続されている。ガス供給部ＧＦは、一実施形態においては、ガスソースＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３，ＧＳ４，ＧＳ５，ＧＳ６、バルブＶ１１，Ｖ１２，Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ３１，Ｖ３２，Ｖ４１，Ｖ４２，Ｖ５１，Ｖ５２、Ｖ６１，Ｖ６２、及び、マスフローコントローラといった流量制御器ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３，ＦＣ４，ＦＣ５、ＦＣ６を含んでいる。ガスソースＧＳ１は、バルブＶ１１、流量制御器ＦＣ１、及びバルブＶ１２を介して、ガス導入管３２に接続されている。ガスソースＧＳ２は、バルブＶ２１、流量制御器ＦＣ２、及びバルブＶ２２を介して、ガス導入管３２に接続されている。ガスソースＧＳ３は、バルブＶ３１、流量制御器ＦＣ３、及びバルブＶ３２を介して、ガス導入管３２に接続されている。ガスソースＧＳ４は、バルブＶ４１、流量制御器ＦＣ４、及びバルブＶ４２を介して、ガス導入管３２に接続されている。ガスソースＧＳ５は、バルブＶ５１、流量制御器ＦＣ５、及びバルブＶ５２を介して、ガス導入管３２に接続されている。ガスソースＧＳ６は、バルブＶ６１、流量制御器ＦＣ６、及びバルブＶ６２を介して、ガス導入管３２に接続されている。

ガスソースＧＳ１は、後述する工程ＳＴ１においてシード層を形成するための原料ガスのソースである。ガスソースＧＳ１は、例えば、アミノシラン系ガスのソースであることができる。アミノシラン系ガスとしては、例えば、ＢＡＳ（ブチルアミノシラン）、ＢＴＢＡＳ（ビスターシャリブチルアミノシラン）、ＤＭＡＳ（ジメチルアミノシラン）、ＢＤＭＡＳ（ビスジメチルアミノシラン）、ＴＤＭＡＳ（トリジメチルアミノシラン）、ＤＥＡＳ（ジエチルアミノシラン）、ＢＤＥＡＳ（ビスジエチルアミノシラン）、ＤＰＡＳ（ジプロピルアミノシラン）、ＤＩＰＡＳ（ジイソプロピルアミノシラン）を用いることが可能である。また、アミノシラン系ガスとして、アミノジシランガスを用いることが可能である。例えば、アミノシラン系ガスとして、ジイソプロピルアミノジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_５Ｎ（ｉＰｒ）_２）ジイソプロピルアミノトリシラン（Ｓｉ_３Ｈ_７Ｎ（ｉＰｒ）_２）、ジイソプロピルアミノジクロロシラン（Ｓｉ_２Ｈ_４ＣｌＮ（ｉＰｒ）_２）、ジイソプロピルアミノトリクロロシラン（Ｓｉ_３Ｈ_６ＣｌＮ（ｉＰｒ）_２）といったガスを用いることも可能である。なお、ガスソースＧＳ１は、ジシランガス、トリシランガス、テトラシランガスといった高次シランガスのソースであってもよい。

ガスソースＧＳ２は、工程ＳＴ２におけるライナー層の形成、工程ＳＴ３における第１の半導体層の形成、及び工程ＳＴ４における第２の半導体層の形成に用いることができる半導体原料ガスのソースである。このガスソースＧＳ２は、ライナー層、第１の半導体層、及び第２の半導体層がシリコン層である場合には、モノシランガス、ジシランガス、又は上述のアミノシラン系ガスといったシリコン含有ガスのソースであることができる。また、ガスソースＧＳ２は、ライナー層、第１の半導体層、及び第２の半導体層がゲルマニウムから構成される場合には、モノゲルマンといったゲルマン含有ガスであることができる。また、ガスソースＧＳ２は、ライナー層、第１の半導体層、及び第２の半導体層がシリコンゲルマニウムから構成されている場合には、シリコン含有ガスとゲルマン含有ガスとの混合ガスであることができる。なお、ライナー層、第１の半導体層、及び第２の半導体層はそれぞれ、別のガスソースから供給される異なるガスを用いて形成されてもよい。

ガスソースＧＳ３は、工程ＳＴ３において用いられ得る不純物原料ガスのソースである。不純物としては、例えば、ヒ素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）、又は、Ｐ（リン）が例示される。不純物原料ガスとしては、例えば、ホスフィン（ＰＨ_３）、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）、又はアルシン（ＡｓＨ_３）が用いられ得る。

ガスソースＧＳ４は、添加ガスのソースである。添加ガスは、例えば、シード層の形成、ライナー層の形成、第１の半導体層の形成、及び第２の半導体層の形成のうち少なくとも何れかにおいて用いられ得る。添加ガスとしては、Ｃ_２Ｈ_４ガス、Ｎ_２Ｏガス、ＮＯガス、又はＮＨ_３ガスが例示される。なお、添加ガスには、Ｃ_２Ｈ_４ガス、Ｎ_２Ｏガス、ＮＯガス、及びＮＨ_３ガスのうち一以上のガスを用いることが可能である。

ガスソースＧＳ５は、工程ＳＴ５のアニールにおいて用いられ得る不活性ガスのソースである。このような不活性ガスとしては、水素ガス又は窒素ガス等が例示され得る。

ガスソースＧＳ６は、工程ＳＴ６のエッチングにおいて用いられ得るエッチングガスのソースである。このようなエッチングガスとしては、Ｃｌ_２、ＨＣｌ、Ｆ_２、Ｂｒ_２、及び、ＨＢｒのうち一種以上を含有するガスを用いることが可能である。なお、エッチングガスには、絶縁膜ＩＳ及びエピタキシャル領域に対してアモルファス半導体領域を選択的にエッチングすることが可能なガスであれば、任意のガスを用いることが可能である。

図５に示すように、マニホールド１８の側面には容器１２内のガスを排気するための排気口３４が設けられている。排気口３４は、支持リング２０より上方に設けられており、容器１２内の内管１４と外管１６との間に形成された空間に連通している。よって、内管１４で発生した排ガス等は、内管１４と外管１６との間の空間を通って排気口３４に流れるようになっている。

また、マニホールド１８には、パージガス供給管３６が接続されている。パージガス供給管３６は、排気口３４の下方において、マニホールド１８に接続されている。パージガス供給管３６には、パージガス供給源が接続されており、パージガス供給源からパージガス供給管３６を介してパージガス、例えば、窒素ガスが容器１２内に供給される。

排気口３４には、排気管３８が気密に接続されている。排気管３８には、その上流側から、バルブ４０、及び、真空ポンプといった排気装置４２が介設されている。バルブ４０は、排気管３８の開度を調整して、容器１２内の圧力を所定の圧力に制御する。排気装置４２は、排気管３８を介して容器１２内のガスを排気するとともに、容器１２内の圧力を調整する。なお、排気管３８には、トラップ、スクラバー等が介設されていてもよく、処理装置１０は、容器１２から排気された排ガスを、無害化した後、当該処理装置１０外に排気するように構成されていてもよい。

また、処理装置１０は、当該処理装置１０の各部の制御を実行する制御部１００を備えている。図６に制御部１００の構成を示す。図６に示すように、制御部１００は、主制御部１１０を備えている。主制御部１１０には、操作パネル１２１、温度センサ（群）１２２、圧力計（群）１２３、ヒータコントローラ１２４、流量制御部１２５、バルブ制御部１２６等が接続されている。

操作パネル１２１は、表示画面及び操作ボタンを備え、オペレータの操作指示を主制御部１１０に伝達する。また、操作パネル１２１は、主制御部１１０からの様々な情報を表示画面に表示する。

温度センサ（群）１２２は、容器１２内、ガス導入管３２内、排気管３８内等の各部の温度を測定し、その測定値を主制御部１１０に通知する。圧力計（群）１２３は、容器１２内、ガス導入管３２内、排気管３８内等の各部の圧力を測定し、その測定値を主制御部１１０に通知する。

ヒータコントローラ１２４は、ヒータ３０を個別に制御するためのものであり、主制御部１１０からの指示に応答して、ヒータ３０に通電して当該ヒータ３０を加熱する。また、ヒータコントローラ１２４は、ヒータ３０の消費電力を個別に測定して、主制御部１１０に通知する。

流量制御部１２５は、ガス供給部ＧＦの流量制御器ＦＣ１〜ＦＣ６を制御して、ガス導入管３２に供給されるガスの流量を主制御部１１０から指示された量に設定する。また、流量制御部１２５は、実際に流れたガスの流量を測定して、主制御部１１０に通知する。バルブ制御部１２６は、各管に配置されたバルブの開度を主制御部１１０から指示された値に制御する。

主制御部１１０は、レシピ記憶部１１１と、ＲＯＭ１１２と、ＲＡＭ１１３と、Ｉ／Ｏポート１１４と、ＣＰＵ１１５と、これらを相互に接続するバス１１６とから構成されている。

レシピ記憶部１１１には、セットアップ用レシピと複数のプロセス用レシピとが記憶されている。処理装置１０の製造当初は、セットアップ用レシピのみが格納される。セットアップ用レシピは、各処理装置に応じた熱モデル等を生成する際に実行されるものである。プロセス用レシピは、ユーザが実際に行うプロセス毎に用意されるレシピであり、例えば容器１２へのウエハＷのロードから、処理済みのウエハＷをアンロードするまでの、各部の温度の変化、容器１２内の圧力変化、ガスの供給の開始及び停止のタイミングと供給量等を規定する。

ＲＯＭ１１２は、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスクなどから構成され、ＣＰＵ１１５の動作プログラム等を記憶する記録媒体である。ＲＡＭ１１３は、ＣＰＵ１１５のワークエリア等として機能する。

Ｉ／Ｏポート１１４は、操作パネル１２１、温度センサ（群）１２２、圧力計（群）１２３、ヒータコントローラ１２４、流量制御部１２５、バルブ制御部１２６等に接続され、データや信号の入出力を制御する。

ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ)１１５は、主制御部１１０の中枢を構成し、ＲＯＭ１１２に記憶された制御プログラムを実行し、操作パネル１２１からの指示に従って、レシピ記憶部１１１に記憶されているレシピ（プロセス用レシピ）に沿って、処理装置１０の動作を制御する。すなわち、ＣＰＵ１１５は、温度センサ（群）１２２、圧力計（群）１２３、流量制御部１２５等に容器１２内、ガス導入管３２内、及び、排気管３８内の各部の温度、圧力、流量等を測定させ、この測定データに基づいて、ヒータコントローラ１２４、流量制御部１２５、バルブ制御部１２６等に制御信号等を出力し、上記各部がプロセス用レシピに従うように制御する。バス１１６は、各部の間で情報を伝達する。

以下、かかる処理装置１０を用いて実施することが可能な上述の方法ＭＴを、図１、図２、図３、及び図４を参照して、より詳細に説明する。

方法ＭＴでは、工程ＳＴ１が行われる。工程ＳＴ１では、図２の（ｂ）に示すように、シード層ＳＦが形成される。シード層ＳＦは、凹部ＤＲを画成する壁面上にシード層ＳＦが形成される。シード層ＳＦが形成される壁面は、凹部ＤＲを側方から画成する側壁面ＳＷ、及び、凹部ＤＲを下方から画成する底面ＢＷを含む。また、工程ＳＴ１では、絶縁膜ＩＳの上面ＴＷ上にもシード層ＳＦが形成される。このシード層ＳＦは、凹部ＤＲを閉塞しないよう、例えば、０．１ｎｍの厚さで形成される。

工程ＳＴ１では、シード層ＳＦの形成のために、ウエハＷを収容した容器内にアミノシラン系ガス又は高次シランガスといった原料ガスが所定の流量で供給され、当該容器内の圧力が所定の圧力に設定され、また、当該容器内の温度が所定の温度に設定される。工程ＳＴ１では、原料ガスの流量は、例えば、１０ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍの範囲内の流量に設定される。また、容器内の圧力は、例えば、０．１Ｔｏｒｒ（１３．３３Ｐａ）〜１０Ｔｏｒｒ（１３３３Ｐａ）の範囲内の圧力に設定される。また、容器内の温度は、例えば、３００℃〜６００℃の範囲内の温度に設定される。このようにシード層ＳＦを形成することで、シード層ＳＦと当該シード層上に形成される半導体層との間の界面における表面エネルギーを低減させることが可能となる。これにより、シード層ＳＦ上に形成される半導体層の表面の平坦性が向上される。

この工程ＳＴ１におけるシード層ＳＦの形成を処理装置１０で実施する場合には、制御部１００は以下に説明する制御（第６の制御）を実行する。この制御において、制御部１００は、ガスソースＧＳ１から容器１２内に所定流量の原料ガスが供給されるよう、バルブＶ１１、流量制御器ＦＣ１、バルブＶ１２を制御し、容器１２内の圧力が所定の圧力に設定されるよう排気装置４２を制御し、容器１２内の空間の温度が所定の温度に設定されるよう、ヒータ３０を制御する。

なお、シード層ＳＦは、アミノシラン系ガス又は高次シランガスから形成される単層に限定されるものではない。例えば、シード層ＳＦは、アミノシラン系ガスの吸着又は堆積によるシリコンを含む第１層の形成後、当該第１層上にシリコンを含む第２層を高次シランガスを用いて形成することにより、作成されてもよい。

次いで、方法ＭＴでは、工程ＳＴ２が行われる。工程ＳＴ２では、図２の（ｃ）に示すように、ライナー層ＬＦが形成される。ライナー層ＬＦは、アンドープの半導体層であり、例えば、シリコン層、ゲルマニウム層、又はシリコンゲルマニウム層である。ライナー層ＬＦは、凹部ＤＲを画成する壁面と第１の半導体層との間に形成される。一実施形態では、ライナー層ＬＦは、側壁面ＳＷ、底面ＢＷ、及び、上面ＴＷに沿って形成される。また、ライナー層ＬＦは、凹部ＤＲを閉塞しないよう、例えば、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの厚さで形成される。なお、図２の（ｃ）では、ライナー層ＬＦはシード層ＳＦ上に形成されているが、当該ライナー層ＬＦは側壁面ＳＷ、底面ＢＷ、及び上面ＴＷ上に直接形成されてもよい。このライナー層ＬＦにより、後述するアニール工程（工程ＳＴ５）において、第１の半導体層に含まれる不純物のマイグレーションが発生することを抑制することが可能となる。

工程ＳＴ２では、ライナー層ＬＦの形成のために、ウエハＷを収容した容器内に第４のガスが供給される。第４のガスは、半導体原料ガスを含む。半導体原料ガスは、例えば、モノシランガス、ジシランガス、又は上述のアミノシラン系ガスといったシリコン含有ガスである。また、半導体原料ガスは、ゲルマン含有ガスであってもよい。或いは、半導体原料ガスは、モノシランガス、ジシランガス、又は上述のアミノシラン系ガスとゲルマン含有ガスの混合ガスであってもよい。この第４のガスは、例えば、５０ｓｃｃｍ〜５０００ｓｃｃｍの流量で容器内に供給される。また、工程ＳＴ２においてライナー層ＬＦを形成するために、容器内の圧力は、例えば、０．１Ｔｏｒｒ（１３．３３Ｐａ）〜１０Ｔｏｒｒ（１３３３Ｐａ）の範囲内の圧力に設定され、容器内の温度は、例えば、３００℃〜６００℃の範囲内の温度に設定される。

この工程ＳＴ２におけるライナー層ＬＦの形成を処理装置１０で実施する場合には、制御部１００は以下に説明する制御（第５の制御）を実行する。この制御において、制御部１００は、ガスソースＧＳ２から容器１２内に所定流量の第４のガスが供給されるよう、バルブＶ２１、流量制御器ＦＣ２、バルブＶ２２を制御し、容器１２内の圧力が所定の圧力に設定されるよう排気装置４２を制御し、容器１２内の空間の温度が所定の温度に設定されるよう、ヒータ３０を制御する。

次いで、方法ＭＴでは、工程ＳＴ３が行われる。工程ＳＴ３では、図３の（ａ）に示すように、不純物を含有する第１の半導体層Ｌ１が形成される。第１の半導体層Ｌ１は、例えば、シリコン層、ゲルマニウム層、又はシリコンゲルマニウム層である。また、第１の半導体層Ｌ１に含まれる不純物は、例えば、ヒ素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）、又は、Ｐ（リン）である。第１の半導体層Ｌ１は、凹部ＤＲを閉塞しないように、凹部ＤＲを画成する壁面に沿って形成される。例えば、第１の半導体層Ｌ１は、側壁面ＳＷ、底面ＢＷ、及び、上面ＴＷに沿って形成される。一実施形態においては、第１の半導体層Ｌ１は、ライナー層ＬＦ上に形成される。別の実施形態においては、第１の半導体層Ｌ１は、側壁面ＳＷ、底面ＢＷ、及び、上面ＴＷ上に直接的に形成されてもよい。この第１の半導体層Ｌ１の膜厚は、例えば、１ｎｍ〜５０ｎｍの膜厚に設定される。

工程ＳＴ３では、第１の半導体層Ｌ１の形成のために、ウエハＷを収容した容器内に第１のガスが供給される。また、工程ＳＴ３では、容器内の圧力が所定の圧力に設定され、また、当該容器内の温度が所定の温度に設定される。第１のガスは、半導体原料ガス、及び、不純物原料ガスを含む。半導体原料ガスは、例えば、モノシランガス、ジシランガス、又は上述のアミノシラン系ガスである。また、半導体原料ガスは、ゲルマン含有ガスであってもよい。或いは、半導体原料ガスは、モノシランガス、ジシランガス、又は上述のアミノシラン系ガスとゲルマン含有ガスの混合ガスであってもよい。また、不純物原料ガスは、例えば、例えば、ホスフィン（ＰＨ_３）、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）、又はアルシン（ＡｓＨ_３）である。工程ＳＴ３では、半導体原料ガスは、例えば、５０ｓｃｃｍ〜５０００ｓｃｃｍの流量で容器内に供給され、不純物原料ガスは、例えば、５ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍの流量で容器内に供給される。また、工程ＳＴ３では、容器内の圧力は、例えば、０．１Ｔｏｒｒ（１３．３３Ｐａ）〜１０Ｔｏｒｒ（１３３３Ｐａ）の範囲内の圧力に設定され、容器内の温度は、例えば、３００℃〜７００℃の範囲内の温度に設定される。

この工程ＳＴ３を処理装置１０で実施する場合には、制御部１００は以下に説明する制御（第１の制御）を実行する。この制御において、制御部１００は、ガスソースＧＳ２から容器１２内に所定流量の半導体原料ガスが供給されるよう、バルブＶ２１、流量制御器ＦＣ２、バルブＶ２２を制御し、ガスソースＧＳ３から容器１２内に所定流量の不純物原料ガスが供給されるよう、バルブＶ３１、流量制御器ＦＣ３、バルブＶ３２を制御し、容器１２内の圧力が所定の圧力に設定されるよう排気装置４２を制御し、容器１２内の空間の温度が所定の温度に設定されるよう、ヒータ３０を制御する。

この工程ＳＴ３で形成される第１の半導体層Ｌ１は、第１のアモルファス半導体領域Ａ１、及び第１の結晶領域Ｃ１を含む。第１の結晶領域Ｃ１は、凹部ＤＲを画成する半導体基板ＳＢの結晶面に沿った領域であり、当該半導体基板ＳＢの結晶面に倣った結晶構造を有する。また、第１のアモルファス半導体領域Ａ１は、凹部ＤＲを画成する側壁面ＳＷに沿って延びる領域である。また、第１のアモルファス半導体領域Ａ１は、更に、上面ＴＷに沿って延在している。工程ＳＴ３の終了後の状態では、第１の結晶領域Ｃ１は、図３の（ａ）において点線で示すように、その上面の両側部において略４５°に傾斜した結晶面を提供する。

次いで、方法ＭＴでは、工程ＳＴ４が行われる。工程ＳＴ４では、図３の（ｂ）に示すように、第２の半導体層Ｌ２が形成される。第２の半導体層Ｌ２は、第１の半導体層Ｌ１の膜厚よりも小さい膜厚を有し、且つ、第１の半導体層Ｌ１の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する。一実施形態では、第２の半導体層Ｌ２は、アンドープの半導体層である。なお、第２の半導体層Ｌ２は、当該第２の半導体層Ｌ２から後述するように形成されるエピタキシャル領域の第２部分に対して、アモルファス半導体領域が選択的にエッチングされる限り、任意の濃度の不純物を含有し得る。

第２の半導体層Ｌ２は、例えば、シリコン層、ゲルマニウム層、又はシリコンゲルマニウム層である。また、第２の半導体層Ｌ２が不純物を含有する場合には、当該不純物は、例えば、ヒ素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）、又は、Ｐ（リン）である。第２の半導体層Ｌ２は、凹部ＤＲを閉塞しないように、第１の半導体層Ｌ１上に形成される。この第２の半導体層Ｌ２の膜厚は、例えば、１ｎｍ〜５０ｎｍの膜厚に設定される。

工程ＳＴ４では、第２の半導体層Ｌ２の形成のために、ウエハＷを収容した容器内に第２のガスが供給される。また、工程ＳＴ４では、容器内の圧力が所定の圧力に設定され、また、当該容器内の温度が所定の温度に設定される。第２のガスは、半導体原料ガスを含む。また、一実施形態では、第２のガスは、不純物原料ガスを含む。半導体原料ガスは、例えば、モノシランガス、ジシランガス、又は上述のアミノシラン系ガスである。また、半導体原料ガスは、ゲルマン含有ガスであってもよい。或いは、半導体原料ガスは、モノシランガス、ジシランガス、又は上述のアミノシラン系ガスとゲルマン含有ガスの混合ガスであってもよい。また、不純物原料ガスは、例えば、例えば、ホスフィン（ＰＨ_３）、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）、又はアルシン（ＡｓＨ_３）である。工程ＳＴ４では、半導体原料ガスは、例えば、５０〜５０００ｓｃｃｍの流量で容器内に供給される。また、工程ＳＴ４では、容器内の圧力は、例えば、０．１Ｔｏｒｒ（１３．３３Ｐａ）〜１０Ｔｏｒｒ（１３３３Ｐａ）の範囲内の圧力に設定され、容器内の温度は、例えば、３００℃〜７００℃の範囲内の温度に設定される。なお、第２の半導体層Ｌ２が不純物を含有する場合には、不純物原料ガスは、例えば、１ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍの流量で容器内に供給される。

この工程ＳＴ４を処理装置１０で実施する場合には、制御部１００は以下に説明する制御（第２の制御）を実行する。この制御において、制御部１００は、ガスソースＧＳ２から容器１２内に所定流量の半導体原料ガスが供給されるよう、バルブＶ２１、流量制御器ＦＣ２、バルブＶ２２を制御し、容器１２内の圧力が所定の圧力に設定されるよう排気装置４２を制御し、容器１２内の空間の温度が所定の温度に設定されるよう、ヒータ３０を制御する。なお、第２の半導体層Ｌ２が不純物を含有する場合には、制御部１００は、ガスソースＧＳ３から容器１２内に所定流量の不純物原料ガスが供給されるよう、バルブＶ３１、流量制御器ＦＣ３、バルブＶ３２を制御する。

この工程ＳＴ４で形成される第２の半導体層Ｌ２は、第２のアモルファス半導体領域Ａ２、及び第２の結晶領域Ｃ２を含む。第２の結晶領域Ｃ２は、凹部ＤＲを画成する半導体基板ＳＢの結晶面に沿った領域であり、当該半導体基板ＳＢの結晶面に倣った結晶構造を有する。また、第２のアモルファス半導体領域Ａ２は、凹部ＤＲを画成する側壁面ＳＷに沿って延びる領域である。また、第２のアモルファス半導体領域Ａ２は、更に、上面ＴＷに沿って延在している。工程ＳＴ４の終了後の状態では、第２の結晶領域Ｃ２は、第１の結晶領域Ｃ１と同様に、図３の（ｂ）において点線で示すように、その上面の両側部において略４５°に傾斜した結晶面を提供する。

次いで、方法ＭＴでは、工程ＳＴ５が行われる。工程ＳＴ５では、ウエハＷがアニールされる。この工程ＳＴ５のアニールは、図３の（ｃ）に示すように、固相エピタキシャル成長により、凹部ＤＲの底にエピタキシャル領域ＥＰを形成する。このエピタキシャル領域ＥＰは、第１部分Ｅ１及び第２部分Ｅ２を含む。工程ＳＴ５のアニールは、第１の結晶領域Ｃ１及び第２の結晶領域Ｃ２が横方向に広がるよう、第１のアモルファス半導体領域Ａ１及び第２のアモルファス半導体領域Ａ２のそれぞれを部分的に結晶化させる。これにより、第１の半導体層Ｌ１から形成される第１部分Ｅ１を覆うように第２部分Ｅ２が形成される。即ち、第１部分Ｅ１が第２部分Ｅ２によってキャップされる。なお、第１の半導体層Ｌ１の膜厚及び第２の半導体層Ｌ２の膜厚に比して、シード層ＳＦの膜厚及びライナー層ＬＦの膜厚は小さいので、シード層ＳＦの膜厚及びライナー層ＬＦの固相エピタキシャル成長により形成されるエピタキシャル領域ＥＰ中の部位は非常に小さい。したがって、図３の（ｃ）では、第１部分Ｅ１及び第２部分Ｅ２のみが示されている。

この工程ＳＴ５では、ウエハＷを収容した容器内の温度が所定温度に設定される。例えば、容器内の温度は３００〜６００℃の範囲内の温度に設定される。一例においては、容器内の温度は、５５０℃に設定される。また、工程ＳＴ５では、容器内の圧力が所定圧力に設定される。例えば、工程ＳＴ５における容器内の圧力は、１×１０^−１０Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０^−７Ｐａ）〜１Ｔｏｒｒ（１３３．３Ｐａ）の範囲内の圧力に設定される。一例においては、容器内の圧力は、１×１０^−６Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０^−３Ｐａ）に設定される。この工程ＳＴ５では、ウエハＷは、例えば約５時間、アニールされる。なお、工程ＳＴ５においては、水素ガス又は窒素ガス等の不活性ガスが容器内に供給されてもよい。

この工程ＳＴ５を処理装置１０で実施する場合には、制御部１００は以下に説明する制御（第３の制御）を実行する。この制御において、制御部１００は、容器１２内の圧力が所定の圧力に設定されるよう排気装置４２を制御し、容器１２内の空間の温度が所定の温度に設定されるよう、ヒータ３０を制御する。また、不活性ガスを用いる場合には、制御部１００は、ガスソースＧＳ５から容器１２内に所定流量の不活性ガスが供給されるよう、バルブＶ５１、流量制御器ＦＣ５、バルブＶ５２を制御する。

次いで、方法ＭＴでは、工程ＳＴ６が行われる。工程ＳＴ６では、工程ＳＴ５においてエピタキシャル領域ＥＰを構成せずに残された第１のアモルファス半導体領域Ａ１及び第２のアモルファス半導体領域Ａ２の残部がエッチングされる。また、工程ＳＴ６では、エピタキシャル領域ＥＰを構成しないシード層ＳＦ及びライナー層ＬＦの残部もエッチングされる。

工程ＳＴ６では、ウエハＷを収容した容器内に第３のガスが所定の流量で供給される。この第３のガスは、Ｃｌ_２、ＨＣｌ、Ｆ_２、Ｂｒ_２、及び、ＨＢｒのうち一種以上を含有し得る。第３のガスの流量は、例えば、１０ｓｃｃｍ〜５０００ｓｃｃｍである。また、工程ＳＴ６では、容器内の圧力が所定の圧力に設定され、容器内の温度が所定の温度に設定される。工程ＳＴ６における容器内の圧力は、例えば、１×１０^−１０Ｔｏｒｒ（１．３３３×１０^−７Ｐａ）〜１００Ｔｏｒｒ（１３３．３×１０^２Ｐａ）の範囲内の圧力であり、工程ＳＴ６における容器内の温度は、例えば、２００℃〜７００℃の範囲内の温度である。一例においては、工程ＳＴ６における容器内の圧力及び温度は、４×１０^−２Ｔｏｒｒ（５．３３３Ｐａ）及び５５０℃に設定される。

第３のガスによる第１のアモルファス半導体領域Ａ１、第２のアモルファス半導体領域Ａ２、シード層ＳＦ、及びライナー層ＬＦのエッチングレートは、当該第３のガスによるエピタキシャル領域ＥＰのエッチングレートよりも高い。但し、第１部分Ｅ１は不純物を含有しているので、当該第１部分Ｅ１の第３のガスによるエッチングレートは、第３のガスによる第１のアモルファス半導体領域Ａ１、第２のアモルファス半導体領域Ａ２、シード層ＳＦ、及びライナー層ＬＦのエッチングレートに比較的近い。しかしながら、第１部分Ｅ１は、低い不純物濃度を有するか又はアンドープの第２部分Ｅ２によってキャップされている。したがって、エピタキシャル領域ＥＰを残して、第１のアモルファス半導体領域Ａ１、第２のアモルファス半導体領域Ａ２、シード層ＳＦ、及びライナー層ＬＦをエッチングすることが可能となる。

この工程ＳＴ６を処理装置１０で実施する場合には、制御部１００は以下に説明する制御（第４の制御）を実行する。この制御において、制御部１００は、ガスソースＧＳ６から容器１２内に所定流量の第３のガスが供給されるよう、バルブＶ６１、流量制御器ＦＣ６、バルブＶ６２を制御し、容器１２内の圧力が所定の圧力に設定されるよう排気装置４２を制御し、容器１２内の空間の温度が所定の温度に設定されるよう、ヒータ３０を制御する。

次いで、方法ＭＴでは、工程ＳＴ７において、最終回のシーケンスが終了したか否かが判定される。即ち、工程ＳＴ１〜ＳＴ６を含む一以上のシーケンスが終了したか否かが判定される。最終回のシーケンスが終了している場合には、方法ＭＴは終了し、一方、最終回のシーケンスが終了していない場合には、工程ＳＴ１〜工程ＳＴ６を含むシーケンスが繰り返される。

方法ＭＴの一以上のシーケンスが終了すると、図４の（ａ）に示すように、一以上のエピタキシャル領域ＥＰによって、凹部ＤＲが充填される。そして、第１部分Ｅ１の不純物を拡散させるためにウエハＷに対する更なるアニール処理が行われることにより、図４の（ｂ）に示すように不純物を含有するエピタキシャル領域ＶＥが形成され、当該エピタキシャル領域ＶＥによって凹部ＤＲが充填される。なお、凹部ＤＲはエピタキシャル領域によって完全に充填される必要はなく、凹部ＤＲの深さ方向の途中までをエピタキシャル領域によって充填し、凹部ＤＲの残余の部分を金属材料で充填してもよい。

かかる方法ＭＴによれば、エピタキシャル領域によって、空洞の発生を抑制しつつ凹部ＤＲを充填することが可能となる。また、工程ＳＴ５のアニールによって、第１の結晶領域Ｃ１及び第２の結晶領域Ｃ２の結晶品質を向上させることができ、エピタキシャル領域の膜質を改善することができる。これにより、エピタキシャル領域と半導体基板ＳＢとの間のコンタクト抵抗を低減することが可能である。また、工程ＳＴ５のアニールによって、不純物を含有する第１部分Ｅ１を第２部分Ｅ２によってキャップするので、第１部分Ｅ１が工程ＳＴ６のエッチングによって除去されることを防止することができる。

以上、種々の実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、工程ＳＴ１、工程ＳＴ２、工程ＳＴ３及び工程ＳＴ４では、Ｃ_２Ｈ_４ガス、Ｎ_２Ｏガス、ＮＯガス、及びＮＨ_３ガスのうち一以上のガスを含む添加ガスが、容器内に更に供給されてもよい。添加ガスを更に用いる場合には、制御部１００は、ガスソースＧＳ４から容器１２内に所定流量の添加ガスが供給されるよう、バルブＶ４１、流量制御器ＦＣ４、バルブＶ４２を制御することができる。かかる添加ガスを用いることにより、アモルファス半導体を成長させるべき領域での半導体層の結晶化を抑制することができ、且つ、当該半導体層内の粒径のサイズを低減させることが可能となる。

１０…処理装置、１２…容器、１４…内管、１６…外管、１８…マニホールド、２０…支持リング、２２…蓋体、２４…ボートエレベータ、２６…ウエハボート、２８…断熱体、３０…ヒータ、３２…ガス導入管、３６…パージガス供給管、３８…排気管、４０…バルブ、４２…排気装置、ＧＦ…ガス供給部、１００…制御部、ＭＴ…方法、Ｗ…ウエハ（被処理体）、ＳＢ…半導体基板、ＩＳ…絶縁膜、ＤＲ…凹部、ＢＷ…底面、ＳＷ…側壁面、ＴＷ…上面、ＳＦ…シード層、ＬＦ…ライナー層、Ｌ１…第１の半導体層、Ｌ２…第２の半導体層、Ａ１…第１のアモルファス半導体領域、Ａ２…第２のアモルファス半導体領域、ＥＰ…エピタキシャル領域。

Claims (5)

1. 被処理体の凹部を充填する方法であって、該被処理体は、半導体基板及び該半導体基板上に設けられた絶縁膜を有し、前記凹部は、前記半導体基板まで延在するよう前記絶縁膜を貫通しており、該方法は、
   前記凹部を画成する壁面に沿って不純物がドープされた第１の半導体層を形成する工程であり、該第１の半導体層は、前記凹部を画成する側壁面に沿って延びる第１のアモルファス半導体領域を含む、該工程と、
   前記第１の半導体層上に、該第１の半導体層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有し且つ該第１の半導体層の膜厚よりも小さい膜厚を有する第２の半導体層を形成する工程であり、該第２の半導体層は前記第１のアモルファス半導体領域上に形成される第２のアモルファス半導体領域を含む、該工程と、
   前記被処理体をアニールする工程であり、前記凹部の底に、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層から前記半導体基板の結晶に応じたエピタキシャル領域を形成する、該工程と、
   前記第１のアモルファス半導体領域及び前記第２のアモルファス半導体領域をエッチングする工程と、
   を含む方法。
2. 前記第１の半導体層を形成する前記工程、前記第２の半導体層を形成する前記工程、前記被処理体をアニールする前記工程、並びに、前記第１のアモルファス半導体領域及び前記第２のアモルファス半導体領域をエッチングする工程を含むシーケンスが繰り返される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の半導体層は、アンドープの半導体層である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１の半導体層を形成する前記工程の前に、ライナー層を形成する工程を更に含み、
   前記ライナー層は、アンドープの半導体層であり、前記側壁面に沿った第３のアモルファス半導体領域を含み、
   前記第１の半導体層は、前記ライナー層上に形成される、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記第１の半導体層、前記第２の半導体層、及び、前記ライナー層は、シリコンから構成されており、
   前記ライナー層を形成する工程の前に、アミノシラン系ガス又は高次シランガスから形成されるシード層を形成する工程を更に含み、
   前記シード層は前記壁面上に形成され、
   前記ライナー層は、前記シード層上に形成される、
   請求項４に記載の方法。

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