JP4490760B2

JP4490760B2 - 半導体装置の製造方法及び基板処理装置

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Publication number: JP4490760B2
Application number: JP2004237303A
Authority: JP
Inventors: 有人小川
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; Kokusai Denki Electric Inc
Current assignee: Kokusai Denki Electric Inc
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2024-08-17
Also published as: JP2006059858A

Description

本発明は半導体装置の製造方法に係り、特に基板表面上に付着した不純物を除去するものに関する。

半導体装置、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semicoductor Field Effect Transistor）の高集積化および高性能化にともない、ソース／ドレインにリーク電流の低減および低抵抗化などが要請されている。

これらの要請に応える方法の一つとして、ソース／ドレイン上にエピタキシャル膜を選択成長させる方法がある。例えば、表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出したウェハの前記シリコン層上に、エピタキシャル膜を成長させる方法として、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスの少なくとも一方のガスと、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスとを交互にウェハに照射し、選択エピタキシャル成長を行うようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この方法では、界面における不純物を限りなく低減するために、エピタキシャル成長前にシリコン層上に形成されている酸化膜や酸素などを含む不純物を除去している。不純物は、通常、希フッ酸水（ＤＨＦ）液による洗浄などにて除去されるが、ウェハ洗浄からウェハを反応管内に搬送して選択エピタキシャル膜を成長させるまでの間、ウェハは大気に触れるため、ウェハ表面に酸素などの不純物が再付着する。
従来、この再付着した不純物を、ＮＦ₃などの反応性ガスを用いずに、７５０℃以上の高温下で水素を用いて除去する方法（以下、高温水素パージともいう）がある（例えば、特許文献２参照）。
特開平０４−１３９８１９号公報特開２００１−２９８０１０号公報

しかし、特許文献２記載の不純物の除去方法は、７５０℃以上の高温プロセスであるため、半導体装置によってはその高温に耐えられない。また、ウェハが大口径化すると、高温により、ウェハ強度の低下によるスリップ発生の危険性がある。
本発明の課題は、上述した従来の問題点を解消して、基板表面上に付着した不純物を７００℃以下の低温にて除去することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。

第１の発明は、表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を処理室内に搬入するステップと、処理室内の基板にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する第１ガス供給ステップと、処理室内の基板に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する第２ガス供給ステップと、処理室内の基板に水素系ガスを供給する第３ガス供給ステップと、第１ガス供給ステップと第２ガス供給ステップと第３ガス供給ステップとを順次１回もしくは複数回繰り返すことにより、基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスと、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。

本発明によれば、第１ガス供給ステップで処理室内の基板にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給するので、基板表面に露出したシリコン層上に付着した不純物を７００℃以下の低温で除去することができる。また、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスを用いてクリーニングプロセスを行う場合に、特に絶縁層上へのシリコンまたはゲルマンの付着が問題となるが、第２ガス供給ステップで塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給して、絶縁層上に付着したシリコンまたはゲルマンを除去するので、そのような問題も解決できる。また、絶縁層上に付着したシリコンまたはゲルマンを除去するために、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを用いると、特に基板表面に露出したシリコン表面上への塩素やフッ素の付着が問題となるが、第３ガス供給ステップで、水素系ガスを供給して、シリコン表面上に付着している塩素やフッ素を除去するので、そのような問題も解決できる。このようにシリコンまたはゲルマン及び塩素やフッ素も７００℃以下の低温で除去できるので、基板表面上に付着した不純物を７００℃以下の低温で有効に除去することができる。

特に、第１の発明において、第１ガス供給ステップのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給時間を、基板上にシリコンもしくはゲルマン原子が膜として成長しない時間以下とするのが好ましい。

第２の発明は、第１の発明において、前記クリーニングプロセスの後に、第１ガス供給ステップと第２ガス供給ステップと第３ガス供給ステップとを順次１回もしくは複数回繰り返すことにより、基板表面に露出したシリコン層上に膜を成長させる成長プロセスを有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
成長プロセス、特にエピタキシャル成長プロセスを行う場合に、シリコン層上との界面における残存不純物が問題となるが、本発明によれば、シリコン層上の不純物を有効に除去した後に成長させるので、そのような問題を解決でき、高品質な膜成長を行うことができる。
また、成長プロセスで使用するガスと同一系のガス用いて同一の流し方でクリーニングプロセスを行うので、クリーニングプロセスにおける汚染物質の発生を効率的に抑制できる。また、ガス供給系、および全体のプロセスを単純化することができる。

第３の発明は、第２の発明において、クリーニングプロセスにおける第１ガス供給ステップと、成長プロセスにおける第１ガス供給ステップとでは、使用するガスを異ならせることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
クリーニングプロセスおよび成長プロセスでそれぞれ使用するガスを、プロセスの目的に合わせて異ならせるとよい。具体的には、クリーニングプロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスの中から、還元性ガス（エッチングガス）として作用しやすい方のガスを用いる。成長プロセスでは、成長用ガスとして作用しやすい方のガスを用いる。このようにすると、クリーニングと成長の両方を効率的に行うことができる。

第４の発明は、第３の発明において、クリーニングプロセスにおける第１ガス供給ステップではモノシラン（ＳｉＨ₄）を用い、成長プロセスにおける第１ガス供給ステップではジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
クリーニングプロセスでは、還元性ガス（エッチングガス）として作用しやすいＳｉＨ₄を用い、成長プロセスでは、成長用ガスとして作用しやすいＳｉ₂Ｈ₆を用いると、クリーニングと成長の両方を効率的に行うことができる。

第５の発明は、第２の発明において、クリーニングプロセスと成長プロセスとでは、処理条件を異ならせることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
クリーニングプロセスおよび成長プロセスにおいて、それぞれの処理条件をプロセスの目的に合わせて異ならせるとよい。具体的には、クリーニングプロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが還元性ガス（エッチングガス）として作用するような処理条件とする。成長プロセスでは、同一のシラン系ガスまたはゲルマン系ガスが成長用ガスとして作用するような処理条件とする。このようにガス種を異ならせることなく、処理条件を異ならせるだけで、クリーニングと成長の両方を効率的に行うことができる。

第６の発明は、第５の発明において、クリーニングプロセスと成長プロセスとでは、少なくとも処理温度または／および処理圧力を異ならせることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
クリーニングプロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが還元性ガス（エッチングガス）として作用するような処理温度や処理圧力とする。成長プロセスでは、同一のシラン系ガスまたはゲルマン系ガスが成長用ガスとして作用するような処理温度や処理圧力とする。このように処理温度や処理圧力を異ならせるだけで、クリーニングと成長の両方を効率的に行うことができる。

第７の発明は、第６の発明において、クリーニングプロセスの方が成長プロセスよりも処理温度が小さくなるようにすることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
クリーニングプロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが還元性ガスとして作用するよう成長プロセスよりも処理温度が小さくなるようにする。成長プロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが成長用ガスとして作用するようクリーニングプロセスよりも処理温度が大きくなるようにする。このように処理温度を設定するだけで、クリーニングと成長の両方を効率的に行うことができる。

第８の発明は、第６の発明において、クリーニングプロセスにおける温度を４００〜５００℃、圧力を１０Ｐａ以下とし、成長プロセスにおける温度を５００〜７００℃、圧力を１０Ｐａ以下とすることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
クリーニングプロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが還元性ガスとして作用するよう処理温度を４００〜５００℃、圧力を１０Ｐａ以下とし、成長プロセスでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが成長用ガスとして作用するよう処理温度を５００〜７００℃、圧力を１０Ｐａ以下とする。このように処理温度と処理圧力を設定することにより、クリーニングと成長の両方を効率的に行うことができる。

第９の発明は、第１の発明において、第１ガス供給ステップで供給するガスはＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆、ＧｅＨ₄からなる群から選択される少なくとも一つのガスであり、第２ガス供給ステップで供給するガスはＣｌ₂、ＨＣｌ、Ｆ₂からなる群から選択される少なくとも一つのガスであり、第３ガス供給ステップで供給するガスはＨ₂であることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
第１ガス供給ステップで処理室内の基板にＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆、ＧｅＨ₄からなる群から選択される少なくとも一つのガスを供給するので、基板表面に露出したシリコン層上に付着した不純物を５００℃以下の低温で有効に除去することができる。また、ＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆、ＧｅＨ₄からなる群から選択される少なくとも一つのガスを用いてクリーニングプロセスを行う場合に、特に絶縁層上へのシリコンの付着が問題となるが、第２ガス供給ステップでＣｌ₂、ＨＣｌ、Ｆ₂からなる群から選択される少なくとも一つのガスを供給して、絶縁層上に付着したシリコンを有効に除去するので、そのような問題も解決できる。また、絶縁層上に付着したシリコンを除去するために、Ｃｌ₂、ＨＣｌ、Ｆ₂からなる群から選択される少なくとも一つのガスを用いると、特に基板表面に露出したシリコン表面上への塩素やフッ素の付着が問題となるが、第３ガス供給ステップで、Ｈ₂を供給して、シリコン表面上に付着している塩素やフッ素を有効に除去するので、そのような問題も解決できる。このようにシリコン及び塩素やフッ素も５００℃以下の低温で除去できるので、基板表面上に付着した不純物を５００℃以下の低温で有効に除去することができる。

第１０の発明は、基板を処理室内に搬入するステップと、処理室内の基板にガスを供給して基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスとを有し、
クリーニングプロセスで供給するガスは、少なくともシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
クリーニングプロセスで処理室内の基板にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給するので、基板表面上に付着した不純物を５００℃以下の低温で除去することができる。

第１１の発明は、第１０の発明において、クリーニングプロセスで供給するガスは、さらに塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
シラン系ガスまたはゲルマン系ガスを使用してクリーニングプロセスを行う場合に、特に基板表面上へのシリコンの付着が問題となるが、本発明によれば、さらに塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給して基板表面上に付着したシリコンを除去するので、そのような問題を解決できる。

第１２の発明は、第１１の発明において、クリーニングプロセスで供給するガスは、さらに水素系ガスを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを使用してクリーニングプロセスを行う場合に、特に基板表面上への塩素もしくはフッ素の付着が問題となるが、本発明によれば、さらに水素系ガスを供給して基板表面上に付着した塩素もしくはフッ素を除去するので、そのような問題を解決できる。

第１３の発明は、基板を処理する処理容器と、処理容器内で基板を保持する基板保持手段と、処理容器内にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する供給手段と、処理容器内に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する供給手段と、処理容器内に水素系ガスを供給する供給手段と、基板表面上に付着した不純物を除去するために処理容器内にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスと、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスと、水素系ガスとを、順次１回もしくは複数回繰り返し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。
制御手段が、処理容器内にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスと、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスと、水素系ガスとを、順次１回もしくは複数回繰り返し供給するよう制御する機能を有するので、第１の発明の半導体装置の製造方法を容易に実施できる。

本発明によれば、基板表面上に付着した不純物を５００℃以下の低温で取り除くことができる。

まず、本発明の基礎となる予備的実験を説明し、つぎに本発明の実施の形態を説明する。

［予備的実験］
ＭＯＳＦＥＴなどの半導体装置の製造工程の一工程には、種々の成膜プロセスがあるが、その成膜プロセスの前処理として、ウェハ表面上をより高清浄度にするために、ウェハ表面上に付着した酸素などの不純物を除去するクリーニングプロセスを行う場合がある。

例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）のコンタクト部を形成する場合では、リンドープトポリシリコン膜を成膜するステップがある。その成膜ステップ前に、成膜の下地表面に反応性ガスを供給して、下地表面に形成された自然酸化膜や酸素などを含む不純物を除去するクリーニングプロセスが必要となる。

本発明者は、このリンドープトポリシリコン膜の成膜シーケンスに対して予備的実験を行った。この予備的実験は、図４に示すように、シリコンウェハ上に形成されたリンドープトポリシリコン膜の表面をＤＨＦ洗浄し（ステップ４１）、表面洗浄したシリコンウェハに、例えば反応性ガスとしてＳｉＨ₄を供給して、リンドープトポリシリコン膜表面の酸素を取り除き（ステップ４２）、その後、連続でリンドープトポリシリコン膜を成膜するものである（ステップ４３）。
ここで、反応性ガスとしては、ＳｉＨ₄の他にＳｉ₂Ｈ₆、ＧｅＨ₄などのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを含むガスを用いることができる。これらのガスを用いると、高温水素パージを行う場合と異なり、クリーニングプロセス温度は５００℃以下の低温とすることが可能である。

図３は、そのように成膜されたリンドープトポリシリコン膜の界面濃度を、二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）にて調べた結果であり、リンドープトポリシリコン膜に上述したクリーニングプロセスを行わなかった場合（ｏｎｌｙｗｅｔ）と、クリーニングプロセスを行った場合（ｗｅｔ＋ＳｉＨ₄パージ）のシリコン膜上の酸素、炭素濃度の比較図である。ここでｗｅｔとは前述したＤＨＦ洗浄を意味する。
同図から、ＳｉＨ₄にて酸素をパージすると、低温にて酸素（Ｏ）の濃度が約３０％低減できると同時に、炭素（Ｃ）についても約８０％低減できることが分かる。

本発明者は、鋭意研究の結果、この予備的実験にて得た知見をエピタキシャル成長プロセスに適用する方法を見い出し、本発明を完成した。以下、本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態］
本発明の半導体装置の製造方法を実施するための基板処理装置の実施の形態を図面を参照して説明する。図５は、基板処理装置としての２枚葉装置の処理炉の概略縦断面図である。

石英製、炭化シリコン製、またはアルミナ製の処理容器としての反応管２０３は、水平方向に扁平な空間を有しており、内部の処理室に基板としての半導体ウェハ（以下シリコンウェハ）２００を収容する。反応管２０３内部にはシリコンウェハ２００を支持する基板保持手段としてのウェハ支持台２１７が設けられ、反応管２０３には気密にマニホールドとしてのガス導入フランジ２０９が設けられ、ガス導入フランジ２０９にはさらに仕切弁としてのゲートバルブ２４４を介して搬送室（図示せず）が連接されている。

ガス導入フランジ２０９にはガス供給系としてのガス導入ライン２３２、バックフランジ２１０には排気管としての排気ライン２３１がそれぞれ接続されている。なお、ガス導入ライン２３２は、反応管２０３内に異なる処理ガスを導入する場合には、ガス導入フランジ２０９に複数本接続されている。排気ライン２３１には反応管２０３内の圧力を所定の圧力に制御する圧力制御手段（以下ＡＰＣ）２４２が設けられている。さらに排気ライン２３１には圧力ターボ分子ポンプ２３３が接続され、ターボ分子ポンプにより反応管２０３内を高真空に保つ。ガス導入ライン２３２には、反応管２０３内に導入するガスの流量を制御する流量制御手段２４１が設けられている。

反応管２０３の上下にはそれぞれ加熱手段としての上ヒータ２０７ａ、下ヒータ２０７ｂが設けられ、反応管２０３内部を均一にもしくは所定の温度勾配を生じさせて加熱するようになっている。また、上ヒータ２０７ａ、下ヒータ２０７ｂには、それぞれのヒータ温度を制御する温度制御手段２４７が接続されている。また上ヒータ２０７ａ、下ヒータ２０７ｂおよび反応管２０３を覆うように断熱部材としての断熱材２０８が設けられている。
なお、反応管２０３内の温度は温度制御手段２４７により所定の温度となるように制御される。また、反応管２０３内に供給するガスの流量は流量制御手段２４１により所定の流量となるよう制御される。さらに、反応管２０３内の圧力は、ＡＰＣ２４２により所定の圧力となるように制御される。これらの温度制御手段２４７、流量制御手段２４１およびＡＰＣ２４２は、主制御部２４９により制御される。

次に、半導体装置の製造工程の一工程として、上述した基板処理装置の処理炉を用いてシリコン基板上にシリコンエピタキシャル膜を選択成長させる方法について説明する。

図１に、本実施の形態におけるエピタキシャルプロセスシーケンス例を示す。このエピタキシャルプロセスシーケンスは、クリーニングプロセスＡとエピタキシャル成長プロセスＢとを含む。クリーニングプロセスＡでは、不純物を除去するためのＳｉＨ₄を、前述した予備的実験で行ったように、ウェハに単独で照射するのではなく、ＳｉＨ₄、Ｃｌ₂、Ｈ₂をウェハに順次照射するシーケンスを採用している。このエピタキシャルプロセスシーケンスは、図５の構成を備えた枚葉ホットウォールタイプの処理炉を用いて行われる。また、このシーケンスが適用されるシリコンウェハ２００は、図２に示すように、ウェハ表面の一部に絶縁層１３を有すると共に、ソース／ドレインとなるべきシリコン層１１が絶縁層１３間に露出して構成されている。絶縁層１３は、Ｓｉ₃Ｎ₄膜もしくはＳｉＯ₂膜で形成されている。

（ステップ１０１：ウェハロード）上述したようなシリコンウェハ２００を、図示しないウェハ搬送ロボットにより反応管２０３内にロードする。このとき反応管２０３内の温度は、ヒータ２０７ａ、２０７ｂにより所定の温度に維持された状態にある。

（ステップ１０２：プレヒート）シリコンウェハ２００が反応管２０３内に搬入されると、主制御部２４９下で制御される温度制御手段２４７によって上ヒータ２０７ａ、下ヒータ２０７ｂが制御されて、搬入と同時にウェハ２００をクリーニング温度までプレヒートする。またＡＰＣ２４９によって反応管２０３内の圧力をクリーニング圧力とする。このときの好ましいクリーニング温度は４００〜５００℃、クリーニング圧力は１０Ｐａ以下、望ましくは１Ｐａ以下である。

本エピタキシャルプロセスシーケンスは、このプレヒート（ステップ１０２）と後述するウェハアンロード（ステップ１０９）との間に、クリーニングプロセスＡとエピタキシャル成長プロセスＢとが挿入される。クリーニングプロセスＡも、エピタキシャル成長プロセスＢも、それぞれ同一系のガスを用いる第１ガス供給ステップ（ステップ１０３、１０６）と、第２ガス供給ステップ（ステップ１０４、１０７）と、第３ガス供給ステップ（ステップ１０５、１０８）とを有し、これらを順次１回もしくは複数回繰り返すようになっている。

（ステップ１０３：モノシランガス照射）ウェハ２００の温度がクリーニング温度まで加熱された後、クリーニングプロセスＡの第１ガス供給ステップとしての本ステップでは、ガス導入ライン２３２より、反応管２０３内のシリコンウェハ２００に処理ガスとしてモノシランガス（ＳｉＨ₄）が供給（以下照射）される。ＳｉＨ₄流量は流量制御手段２４１により流量制御され、このときの好ましい流量は１〜３００ｓｃｃｍである。

シリコンウェハ２００に照射されたＳｉＨ₄は分解し、シリコンウェハ２００のシリコン層１１上に付着している自然酸化膜（ＳｉＯ₂）を除去する。このときの酸化膜は以下のような反応にて取り除かれると考えられる。
ＳｉＨ₄(g)→ＳｉＨ₃(g)ｏｒ(s)＋Ｈ*(g) （１）
４Ｈ*(g)＋ＳｉＯ₂(s)→Ｓｉ(s)＋２Ｈ₂Ｏ(g) （２）
２Ｈ*(g)＋ＳｉＯ(s)→Ｓｉ(s)＋Ｈ₂Ｏ(g) （３）
ここで*印が付いた化学記号はその活性種を意味し、ＳｉＯは自然酸化膜のような弱い結合もしくは不完全な結合状態のものを意味する。このようにシリコンウェハ２００にＳｉＨ₄を照射することにより、シリコン層１１上に形成しているＳｉＯ₂を除去することができる。

しかし、ステップ１０３ではシリコン膜表面に付着している酸素を全て取り除くことは困難であると考えられる。同ステップではＨ*による酸素の除去が行われるが、同時に、酸素上にシリコンが付着することも考えられる。このような場合にはシリコン表面に付着した酸素はシリコンに覆われるため、式（２）もしくは式（３）にしたがった反応により酸素を除去できなくなる。

また、ステップ１０３でのＳｉＨ₄照射によりＳｉ₃Ｎ₄膜もしくはＳｉＯ₂膜上にもシリコン原子等が吸着する可能性があり、選択性を必要とするエピタキシャル成長プロセスにおけるクリーニングには不適となる。

（ステップ１０４：塩素ガス照射）このため、ＳｉＨ₄照射後の第２ガス供給ステップとしての本ステップでは、反応管２０３内のシリコンウェハ２００に塩素ガス（Ｃｌ₂）を照射する。Ｃｌ₂流量は流量制御手段２４１により流量制御され、このときの好ましい流量は１〜５００ｓｃｃｍである。
これにより、酸素上に付着しているシリコン原子等およびＳｉ₃Ｎ₄膜もしくはＳｉＯ₂膜上に付着しているシリコン原子等は
Ｃｌ₂(g)＋Ｓｉ(s)→ＳｉＣｌ₂(g) （４）
のような反応を経て取り除かれる。また、シリコン表面に付着している金属類も
Ｃｌ₂(g)＋Ｍ(s)→ＭＣｌ₂(g) （５）
のような反応を経て取り除かれる。
ここで、Ｍは金属原子を意味する。このように、第２ガス供給ステップ（１０４）を行うことにより、ＳｉＯ₂膜もしくはＳｉ₃Ｎ₄膜上のシリコン原子等を取り除くことができると同時に、露出したシリコン層１１の表面に存在する酸素に付着したシリコン原子等も取り除くことができる。したがって、再度、ステップ１０３でＳｉＨ₄をシリコンウェハ２００に照射することにより、式（２）もしくは式（３）による反応にてシリコン層１１上に残っている酸素を取り除くことができる。

ただし、第２ガス供給ステップ（ステップ１０４）時には、シリコン層上およびＳｉ₃Ｎ₄膜もしくはＳｉＯ₂膜上には塩素原子が吸着する場合もあり、ＳｉＨ₄を照射したときに、シリコンまたは水素が塩素原子と結合し、エピタキシャル成長もしくはＨ*による酸素除去効果を阻害することが考えられる。

（ステップ１０５：水素ガス照射）そこで、第３ガス供給ステップとして、反応管２０３内のシリコンウェハ２００に水素ガス（Ｈ₂）を照射する。Ｈ₂は流量制御手段２４１により流量制御され、このときの好ましい流量は１０〜５００００ｓｃｃｍである。これにより、シリコン層１１上および絶縁層１３上（Ｓｉ₃Ｎ₄膜もしくはＳｉＯ₂膜上）に付着している塩素原子は
Ｈ₂(g)＋２Ｃｌ(s)→２ＨＣｌ(g) （６）
のような反応を経て取り除かれる。

以上のように第１ガス供給ステップ１０３と、第２ガス供給ステップ１０４と、第３ガス供給ステップ１０５とを順次１回もしくは複数回繰り返すクリーニングプロセスＡを行うことにより、Ｓｉ₃Ｎ₄膜もしくはＳｉＯ₂膜などの絶縁層１３上にシリコン原子等を形成することなく、露出したシリコン層１１の表面をクリーニングすることができ、ウェハ表面上を清浄化できる。

上述したＳｉＨ₄、Ｃｌ₂、およびＨ₂の繰り返し照射は、主制御部２４９が、ガス導入ライン２３２の流量制御手段２４１よりも上流側に設けた開閉弁（図示せず）を開閉制御することにより行われる。

ウェハ表面をクリーニングした後、Ｓｉ₂Ｈ₆、Ｃｌ₂、Ｈ₂などのガスを用いてエピタキシャル成長プロセスＢを行う。

エピタキシャル成長プロセスＢを行うに際して、まず、温度制御手段２４７によって上ヒータ２０７ａ、下ヒータ２０７ｂを制御して、ウェハ２００を成長温度まで加熱すると共に、ＡＰＣ２４９によって反応管２０３内の圧力を成長圧力とする。このときの好ましい成長温度は５００〜７００℃、成長圧力は１０Ｐａ以下である。すなわち、エピタキシャル成長プロセスＢの方がクリーニングプロセスＡよりも処理温度が大きくなるように制御する。

（ステップ１０６：ジシランガス照射）温度および圧力が安定したら、エピタキシャル成長プロセスＢの第１ガス供給ステップとして、反応管２０３内のウェハにジシランガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）を照射する。このときの好ましいＳｉ₂Ｈ₆流量は５〜３００ｓｃｃｍである。
これより分かるように、エピタキシャル成長プロセスＢにおける第１ガス供給ステップ（ステップ１０６）と、クリーニングプロセスＡにおける第１ガス供給ステップ（ステップ１０３）とでは、使用するガスをＳｉ₂Ｈ₆とＳｉＨ₄というように異ならせている。

Ｓｉ₂Ｈ₆の照射により、露出したシリコン層１１の表面にシリコンエピタキシャル膜１２（図２参照）が選択成長する。絶縁層１３上にはシリコンエピタキシャル膜は形成されないが、シリコン原子等が付着する。シリコン原子等が付着すると、エピタキシャル選択性を保持することができなくなる。

（ステップ１０７：塩素ガス照射）そこで、Ｓｉ₂Ｈ₆照射後、第２ガス供給ステップとして、反応管２０３内のウェハにＣｌ₂を照射する。このときの好ましいＣｌ₂流量１〜５００ｓｃｃｍである。
Ｃｌ₂の照射を行うことにより、クリーニングプロセスＡで述べたように、反応式（４）、（５）により、ＳｉＯ₂膜もしくはＳｉ₃Ｎ₄膜上に付着したシリコン原子等を取り除くことができると同時に、シリコン表面に存在する酸素に付着したシリコン原子等、およびシリコン表面に付着している金属類も取り除くことができる。

（ステップ１０８：水素ガス照射）Ｃｌ₂照射後、第３ガス供給ステップとして、反応管２０３内のウェハに所定流量のＨ₂を照射する。このときのＨ₂流量１０〜５００００ｓｃｃｍである。
このＨ₂の照射により、前述した反応式（６）により、エピタキシャル膜１２上および絶縁層１３（Ｓｉ₃Ｎ₄膜もしくはＳｉＯ₂膜）上に付着している塩素原子が取り除かれる。

そして、主制御部２４９によりステップ１０６とステップ１０７とステップ１０８とを順に複数回繰り返すエピタキシャル成長プロセスＢを行うことにより、露出したシリコン層１１の表面にエピタキシャル膜１２を成長させる。これにより、Ｓｉ₃Ｎ₄膜もしくはＳｉＯ₂膜にシリコンを堆積することなく、シリコン層１１の表面上のみにシリコン膜のエピタキシャル成長を行うことができる。
なお、上述したＳｉ₂Ｈ₆、Ｃｌ₂、およびＨ₂の繰り返し照射は、主制御部２４９が、ガス導入ライン２３２の流量制御手段２４１よりも上流側に設けた開閉弁（図示せず）を開閉制御することにより行われる。

（ステップ１０９：ウェハアンロード）シリコン層１１にエピタキシャル膜１２を選択成長した後、図示しないウェハ搬送ロボットにより反応管２０３内からウェハ２００をアンロードする。

上述したように、ＳｉＨ₄、Ｃｌ₂、Ｈ₂を順次照射するクリーニングプロセスＡを導入したので、５００℃以下の低温にて、酸化膜や酸素、酸素を覆うシリコンや、絶縁層上に吸着されたシリコン原子等、および残存する塩素を除去でき、ウェハ表面上に付着した不純物を有効に除去することができる。

また、エピタキシャル成長プロセスＢで使用するガスと同系のガスを用いてクリーニングプロセスＡを行うので、クリーニングプロセスＡにおける汚染物質の発生を有効に抑制できる。また、ガス供給系、および全体のプロセスを単純化することができる。

また、クリーニングプロセスＡの後、直ちにＳｉ₂Ｈ₆、Ｃｌ₂、およびＨ₂を用いたエピタキシャル成長プロセスＢを、同一反応管で行うことにより、絶縁層上にシリコンを堆積させることなく、シリコン層１１の表面上に、界面における不純物を限りなく低減した状態で高品質なエピタキシャル膜１２を形成することができる。

したがって、ＭＯＳＦＥＴにおけるソース／ドレイン上に、界面における不純物を限りなく低減した状態で高品質な選択エピタキシャル層を成長させることができ、リーク電流低減および低抵抗化などの要請に十分応えることができる。
また、クリーニングプロセスは、５００℃以下の低温で行うことができるため、半導体装置はその温度に十分耐えられることになり、ウェハが大口径化しても、ウェハ強度の低下によるスリップ発生の危険性がなくなり、半導体装置の特性の向上と微細化を両立させることが可能となる。

また、実施の形態では、酸化膜（ＳｉＯ₂）を除去するために、ＳｉＨ₄を用いた場合について述べたが、ゲルマン（ＧｅＨ₄）を用いてもよい。そのときの酸化膜は以下のような反応にて取り除かれると考えられる。
ＧｅＨ₄(g)→ＧｅＨ₃(g)ｏｒ(s)＋Ｈ*(g) （７）
４Ｈ*(g)＋ＳｉＯ₂(s)→Ｓｉ(s)＋２Ｈ₂Ｏ(g) （８）
２Ｈ*(g)＋ＳｉＯ(s)→Ｓｉ(s)＋Ｈ₂Ｏ(g) （９）

また、実施の形態では、Ｃｌ₂を用いてシリコン原子等を除去するようにしたが、Ｆ₂を用いてもよい。そのときの反応式は次の通りである。
２Ｆ₂(g)＋Ｓｉ(s)→ＳｉＦ₄(g) （１０）
２Ｆ₂(g)＋Ｍ(s)→ＭＦ₄(g) （１１）

また、Ｆ₂を用いた場合に、ＳｉＯ₂膜上に付着しているＦ元素は、次の反応式により取り除かれる。
Ｈ₂(g)＋２Ｆ(s)→２ＨＦ(g) （１２）

なお、ＨＣｌを用いた場合も、同様にしてシリコン原子等を除去することが可能である。

また、実施の形態では、クリーニングプロセスＡの第１ガス供給ステップ１０３でＳｉＨ₄を照射し、エピタキシャル成長プロセスＢの第１ガス供給ステップ１０６でＳｉ₂Ｈ₆を照射するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ＳｉＨ₄やＳｉ₂Ｈ₆は、処理条件を変えると、同一のガスでありながら、還元作用を発揮したり成膜作用を発揮したりする。したがって、この種のガスを異なる条件で使用すれば、同一のガスであっても、クリーニングプロセスＡとエピタキシャル成長プロセスＢとで、ウェハ表面上を清浄化して、高品質なエピタキシャル膜成長を行うことができる。特に、クリーニングプロセスＡで、成長プロセスＢと共通の成長ガスを使用すると、クリーニングプロセスＡでの汚染物質の発生をより有効に抑制できる。また、ガス供給系、および全体のプロセスを単純化することができる。

処理条件を異ならせる場合に、処理温度だけを異ならせるようにしてもよい。また、処理圧力だけを異ならせるようにしてもよい。さらに処理温度および処理圧力の双方を異ならせるようにしてもよい。なお、処理条件のうち、ＳｉＨ₄やＳｉ₂Ｈ₆の流量ないし濃度を異ならせることも可能であるが、その場合、ＳｉＨ₄やＳｉ₂Ｈ₆などによるエピタキシャル膜の膜厚コントロールが困難になる。この点で、ウェハ温度または反応管内圧力を異ならせると、そのような問題がない。

処理温度または／および処理圧力を異ならせる場合、クリーニングプロセスＡの方がエピタキシャル成長プロセスＢよりも処理温度が小さくなるようにすることができる。また、クリーニングプロセスＡの方がエピタキシャル成長プロセスＢよりも処理圧力が大きくなるようにすることもできる。さらに、クリーニングプロセスＡの方がエピタキシャル成長プロセスＢよりも処理温度が小さくなるようにし、かつ処理圧力が大きくなるようにすることもできる。これにより、ウェハ表面上を清浄化して、清浄化されたウェハ表面上に高品質なエピタキシャル膜成長を行うことができる。

なお、上記実施の形態では、クリーニングプロセスＡを５００℃以下の温度で行う場合について説明したが、より高い温度を含む温度範囲、例えば４００〜７００℃で行うことも可能である。その場合、第１ガス供給ステップのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給時間を、基板上にシリコンもしくはゲルマン原子が膜として成長しない時間以下とするようにすればよい。このようにすれば、基板上にシリコンもしくはゲルマン原子が膜として成長しないので、クリーニングプロセスＡと成長プロセスＢとを同一温度で行うこともできる。

また、上記実施形態では枚葉ホットウォールタイプの装置を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、基板処理装置全般、例えば枚葉コールドウォール装置やバッチタイプの装置にも適用することができる。また、上記実施形態では選択エピタキシャル成長時の前処理クリーニングについて説明したが、本発明はこれに限らず、シリコン表面におけるクリーニング処理を行うもの全般に適用することができる。また、堆積する膜はシリコン膜に限らず、Ｓｉ₃Ｎ₄膜など、基板表面にて化学反応を用いて膜を堆積させるもの全般に適用できる。

実施の形態によるエピタキシャルプロセスシーケンス例を示すフロー図である。実施の形態によるエピタキシャルプロセスシーケンスが行われるシリコンウェハの断面図である。予備的実験結果を示し、リンドープトポリシリコン膜にクリーニングプロセスを行わなかった場合（ｏｎｌｙｗｅｔ）と、行った場合（ｗｅｔ＋ＳｉＨ₄パージ）のシリコン膜上の酸素、炭素濃度の比較図である。予備的実験のクリーニングプロセスを行った場合のリンドープトポリシリコン膜の成膜シーケンス図である。実施の形態の基板処理装置としての２枚葉装置の処理炉の概略構成図である。

符号の説明

シリコンウェハ（基板）
２０３反応管（処理容器）
２１７ウェハ支持台（基板保持手段）
２３２ガス導入ライン（供給手段）
２４９主制御部（制御手段）

Claims

表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を処理室内に搬入するステップと、
前記処理室内の前記基板にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する第１ガス供給ステップと、前記処理室内の前記基板に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する第２ガス供給ステップと、前記処理室内の前記基板に水素系ガスを供給する第３ガス供給ステップと、を順次１回もしくは複数回行うことにより、前記基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスと、
を有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記クリーニングプロセスにおける前記第１ガス供給ステップで供給するガスはＳｉＨ ₄ 、Ｓｉ ₂ Ｈ ₆ 、ＧｅＨ ₄ からなる群から選択される少なくとも一つのガスであり、前記第２ガス供給ステップで供給するガスはＣｌ ₂ 、ＨＣｌ、Ｆ ₂ からなる群から選択される少なくとも一つのガスであり、前記第３ガス供給ステップで供給するガスはＨ ₂ である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記クリーニングプロセスにおける処理温度を４００〜５００℃、処理圧力を１０Ｐａ以下とする
ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１ガス供給ステップのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給時間を、前記基板上にシリコンもしくはゲルマン原子が膜として成長しない時間とする
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を処理室内に搬入するステップと、
前記処理室内の前記基板にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する第１ガス供給ステップと、前記処理室内の前記基板に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する第２ガス供給ステップと、前記処理室内の前記基板に水素系ガスを供給する第３ガス供給ステ
ップと、を順次１回もしくは複数回行うことにより、前記基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスと、
前記第１ガス供給ステップと前記第２ガス供給ステップと前記第３ガス供給ステップとを順次１回もしくは複数回行うことにより、前記クリーニングプロセス後の前記基板表面に露出したシリコン層上に膜を成長させる成長プロセスと、
を有し、
前記クリーニングプロセスにおける第１ガス供給ステップと、前記成長プロセスにおける第１ガス供給ステップとでは、使用するガスを異ならせる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記クリーニングプロセスにおける第１ガス供給ステップでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスの中から還元性ガスとして作用するガスを用い、前記成長プロセスにおける第１ガス供給ステップでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスの中から成長用ガスとして作用するガスを用いる
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
前記クリーニングプロセスにおける第１ガス供給ステップではＳｉＨ ₄ を用い、前記成
長プロセスにおける第１ガス供給ステップではＳｉ ₂ Ｈ ₆ を用いる
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を処理室内に搬入するステップと、
前記処理室内の前記基板にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する第１ガス供給ステップと、前記処理室内の前記基板に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する第２ガス供給ステップと、前記処理室内の前記基板に水素系ガスを供給する第３ガス供給ステップと、を順次１回もしくは複数回行うことにより、前記基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスと、
前記第１ガス供給ステップと前記第２ガス供給ステップと前記第３ガス供給ステップとを順次１回もしくは複数回行うことにより、前記クリーニングプロセス後の前記基板表面に露出したシリコン層上に膜を成長させる成長プロセスと、
を有し、
前記クリーニングプロセスと前記成長プロセスとでは、処理条件を異ならせる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記クリーニングプロセスにおける第１ガス供給ステップでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが還元性ガスとして作用するような処理条件とし、前記成長プロセスにおける第１ガス供給ステップでは、シラン系ガスまたはゲルマン系ガスが成長用ガスとして作用するような処理条件とする
ことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
前記クリーニングプロセスと前記成長プロセスとでは、少なくとも処理温度または／および処理圧力を異ならせる
ことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
前記クリーニングプロセスの方が前記成長プロセスよりも処理温度が小さくなるようにする
ことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
前記クリーニングプロセスにおける処理温度を４００〜５００℃、処理圧力を１０Ｐａ以下とし、前記成長プロセスにおける処理温度を５００〜７００℃、処理圧力を１０Ｐａ
以下とする
ことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
基板を処理する処理容器と、
前記処理容器内で基板を保持する基板保持手段と、
前記処理容器内にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する供給手段と、
前記処理容器内に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する供給手段と、
前記処理容器内に水素系ガスを供給する供給手段と、
表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を収容した前記処理容器内へのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給と、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスの供給と、水素系ガスの供給とを、順次１回もしくは複数回行うことにより、前記基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスを行うように前記各供給手段を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。
基板を処理する処理容器と、
前記処理容器内で基板を保持する基板保持手段と、
前記処理容器内にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する供給手段と、
前記処理容器内に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する供給手段と、
前記処理容器内に水素系ガスを供給する供給手段と、
表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を収容した前記処理容器内へのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給と、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスの供給と、水素系ガスの供給とを、順次１回もしくは複数回行うことにより、前記基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスを行い、前記処理容器内へのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給と、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスの供給と、水素系ガスの供給とを、順次１回もしくは複数回行うことにより、前記クリーニングプロセス後の前記基板表面に露出したシリコン層上に膜を成長させる成長プロセスを行い、前記クリーニングプロセスと前記成長プロセスとで、使用するシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを異ならせるように前記各供給手段を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。
基板を処理する処理容器と、
前記処理容器内で基板を保持する基板保持手段と、
前記処理容器内を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の温度を制御する温度制御手段と、
前記処理容器内の圧力を制御する圧力制御手段と、
前記処理容器内にシラン系ガスまたはゲルマン系ガスを供給する供給手段と、
前記処理容器内に塩素系ガスもしくはフッ素系ガスを供給する供給手段と、
前記処理容器内に水素系ガスを供給する供給手段と、
表面の一部に絶縁層を有すると共にシリコン層が露出した基板を収容した前記処理容器内へのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給と、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスの供給と、水素系ガスの供給とを、順次１回もしくは複数回行うことにより、前記基板表面上に付着した不純物を除去するクリーニングプロセスを行い、前記処理容器内へのシラン系ガスまたはゲルマン系ガスの供給と、塩素系ガスもしくはフッ素系ガスの供給と、水素系ガスの供給とを、順次１回もしくは複数回行うことにより、前記クリーニングプロセス後の前記基板表面に露出したシリコン層上に膜を成長させる成長プロセスを行い、前記クリーニングプロセスと前記成長プロセスとで、処理条件を異ならせるように前記温度制御手段、前記圧力制御手段および前記各供給手段を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。