JP2011176095A - 半導体装置の製造方法及び基板処理方法及び基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
汚染物やパーティクルがシリコン膜等を有する基板に混入することにより基板の品質や半導体装置の性能が劣化することを抑制し、表面粗さの小さいシリコン膜を形成する。
【解決する手段】
基板にシリコン膜を形成する膜形成工程と、前記シリコン膜に酸化種を供給し、前記シリコン膜を熱処理し前記シリコン膜の表層を酸化シリコン膜に改質する改質工程と、前記酸化シリコン膜を除去する除去工程と、を有する半導体装置の製造方法を提供することで上記課題を解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板を処理する工程を有する半導体装置の製造方法及び基板処理方法及び基板処理装置に関して、特に、シリコン膜（Ｓｉ膜）を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法及び基板処理方法及び基板処理装置に関する。

半導体装置の製造工程の一工程において、２ｘnm（ナノメートル）以降のNANDフラシュメモリを、隣接セル間干渉の回避およびビットコスト低減のため、シリコン膜を有するFG（Floating
Gate、フローティング ゲート）構造或いはシリコン膜を縦トランジスタチャネルとするTCAT(Terabit Cell Array Transistor、テラビット セル アレイ トランジスター)およびBICS（Bit-Cost Scalable、ビット コスト スケーラブル）へ応用することが提案されている。

しかし、上述の応用例に対しシリコン膜を適用する際にシリコン膜の表面粗さ（表面ラフネス、Ｒｍｓ）の問題があり、高いキャリアー移動度を維持することが困難になっており、半導体装置の一部として適用された場合、適用された半導体装置の性能を十分に発揮できず、スループットを低下させる原因であった。

一方、特許文献１では、シリコン膜を形成した後、研磨剤を用いてシリコン膜の表面を研磨することにより、平坦な表面を有するシリコン膜を形成していた。

特開平７−２４９６００号公報

しかしながら、シリコン膜の表面を研磨する時に汚染物やパーティクルが発生し、その汚染物やパーティクルがシリコン膜等を有する基板に混入することにより基板の品質や半導体装置の性能が劣化してしまう等の課題を生じてしまう。

本発明は上述の課題を解決し、基板の品質や半導体装置の性能の劣化を抑制する半導体装置の製造方法及び基板処理方法及び基板処理装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、基板にシリコン膜を形成する膜形成工程と、前記シリコン膜に酸化種を供給し前記シリコン膜を熱処理し前記シリコン膜の表層を酸化シリコン膜に改質する改質工程と、酸化シリコン膜を除去する除去工程と、を有する半導体装置の製造方法を提供する。

本発明の他の態様によれば、基板を処理する処理室と、前記処理室内に少なくともシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給系と、前記処理室内に少なくとも酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給系と、前記処理室内に少なくともハロゲン含有ガスを供給するハロゲン含有ガス供給系と、前記シリコン含有ガス供給系が前記処理室内に少なくとも前記シリコン含有ガスを供給し前記基板にシリコン膜を形成し、前記酸素含有ガス供給系が前記処理室内に前記酸素含有ガスを供給し前記シリコン膜を熱処理しシリコン膜の表層を酸化シリコン膜に改質し、前記ハロゲン含有ガス供給系が前記処理室内に前記ハロゲン含有ガスを供給し酸化シリコン膜を除去するように制御するコントローラと、を有する基板処理装置を提供する。

更に本発明の他の態様によれば、基板にシリコン膜を形成する膜形成工程と、前記シリコン膜に酸化種を供給し前記シリコン膜を熱処理し前記シリコン膜の表層を酸化シリコン膜に改質する改質工程と、前記酸化シリコン膜を除去する除去工程と、を有する基板処理方法を提供する。

本発明によれば、基板の品質や半導体装置の性能の劣化を抑制することができる。

本発明の第１実施形態が適用される半導体製造装置１０の斜視図を示す。 本発明の第１実施形態が適用される半導体製造装置１０の処理炉２０２側面断面図および各部の制御構成を示す。 本発明の第１実施形態が適用される半導体製造装置１０の処理炉２０２及びその周辺構造の概略図を示す。 本発明の第１実施形態における各工程の基板の状態を示す模式図である。 比較サンプル法における各工程の基板の状態を示す模式図である。 形成されるシリコン膜の表面粗さの測定結果の本発明の第１実施形態と比較サンプルとの比較を示す。 アモルファスシリコン膜における、膜厚値と膜厚面内均一性との関係を示す。 従来法における各工程にて基板に形成される膜の模式図を示す。

[第１実施形態]

以下に本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る基板処理装置としての半導体製造装置１０の一例であり、斜視図にて示す。この半導体製造装置１０は、バッチ式縦型熱処理装置であり、主要部が配置される筐体１２を有する。半導体製造装置１０には、例えば、Ｓｉ（シリコン、珪素）又はＳｉＣ（シリコンカーバイド、炭化珪素）等で構成された基板としてのウエハ２００を収納する基板収納器としてフープ（以下、ポッドという）１６が、ウエハキャリアとして使用される。この筐体１２の正面側には、ポッドステージ１８が配置されており、このポッドステージ１８にポッド１６が搬送される。ポッド１６には、例えば２５枚のウエハ２００が収納され、蓋が閉じられた状態でポッドステージ１８に載置される。

筐体１２内の正面側であって、ポッドステージ１８に対向する位置にはポッド搬送装置２０が配置されている。また、このポッド搬送装置２０の近傍にはポッド棚２２、ポッドオープナ２４及び基板枚数検知器２６が配置されている。ポッド棚２２はポッドオープナ２４の上方に配置されポッド１６を複数個載置した状態で保持するように構成されている。基板枚数検知器２６はポッドオープナ２４に隣接して配置される。ポッド搬送装置２０はポッドステージ１８とポッド棚２２とポッドオープナ２４との間でポッド１６を搬送する。ポッドオープナ２４はポッド１６の蓋を開けるものであり、基板枚数検知器２６は蓋を開けられたポッド１６内のウエハ２００の枚数を検知する。

筐体１２内には基板移載機２８、基板支持具としてのボート２１７が配置されている。基板移載機２８は、アーム（ツィーザ）３２を有し、図示しない駆動手段により、上下回転動作が可能な構造になっている。アーム３２は例えば５枚のウエハ２００を取り出すことができ、このアーム３２を動かすことにより、ポッドオープナ２４の位置に置かれたポッド１６及びボート２１７間にてウエハ２００を搬送する。

図２は本発明の実施の形態で好適に用いられる基板処理装置の処理炉２０２の概略構成図であり、縦断面図として示されている。

図２に示されているように、処理炉２０２は加熱機構としてのヒータ２０６を有する。ヒータ２０６は筒形状であり、例えば円筒形状であり、図示しない保持板としてのヒータベースに支持されることにより垂直に据え付けられている。

ヒータ２０６の内側には、ヒータ２０６と同心円状に反応管としてのプロセスチューブ２０３が配設されている。プロセスチューブ２０３は内部反応管としてのインナーチューブ２０４と、その外側に設けられた外部反応管としてのアウターチューブ２０５とから構成されている。インナーチューブ２０４は、例えば石英（ＳｉＯ_２）または炭化珪素（ＳｉＣ）等の耐熱性材料で構成されており、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。インナーチューブ２０４の筒中空部には処理室２０１が形成されており、基板としてのウエハ２００を後述するボート２１７によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。アウターチューブ２０５は、例えば石英または炭化珪素等の耐熱性材料で構成されており、内径がインナーチューブ２０４の外径よりも大きく上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されており、インナーチューブ２０４と同心円状に設けられている。

アウターチューブ２０５の下方には、アウターチューブ２０５と同心円状にマニホールド２０９が配設されている。マニホールド２０９は、例えばステンレス等で構成されており、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド２０９は、インナーチューブ２０４とアウターチューブ２０５に係合しており、これらを支持するように設けられている。なお、マニホールド２０９とアウターチューブ２０５との間にはシール部材としてのＯリング２２０ａが設けられている。マニホールド２０９が図示しないヒータベースに支持されることにより、プロセスチューブ２０３は垂直に据え付けられた状態となっている。プロセスチューブ２０３とマニホールド２０９により反応容器が形成される。

マニホールド２０９にはガス導入部としてのノズル２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄが処理室２０１内に連通するように接続されており、ノズル２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄにはそれぞれガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃ、２３２ｄが接続されている。ガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃ、２３２ｄのノズル２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄとの接続側と反対側である上流側には、ガス流量制御器としてのＭＦＣ（マスフローコントローラ、Mass Flow Controller）２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄ及び開閉装置としてのバルブ３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄを介してシリコン含有ガス源３００ａ、酸素含有ガス源３００ｂ、ハロゲン含有ガス源３００ｃ、不活性ガス源３００ｄが接続されている。ＭＦＣ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄには、ガス流量制御部２３５が電気的に接続されており、供給するガスの流量が所望の量となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

シリコン含有ガスとして例えばシラン（ＳｉＨ_４）ガスを供給するノズル２３０ａは、例えば石英製であり、マニホールド２０９を貫通するようにマニホールド２０９に設けられている。ノズル２３０ａは、少なくとも１本設けられており、ヒータ２０６と対向する領域より下方であってマニホールド２０９と対向する領域に設けられ、シリコン含有ガスを処理室２０１内へ供給している。ノズル２３０ａは、ガス供給管２３２ａに接続されている。このガス供給管２３２ａは、流量制御器（流量制御手段）としてのマスフローコントローラ２４１ａ及びバルブ３１０ａを介してシリコン含有ガスとして、例えばシラン（ＳｉＨ_４）ガスを供給するシリコン含有ガス源３００ａに接続されている。この構成により、処理室２０１内へ供給するシリコン含有ガス、例えばシランガスの供給流量、濃度、分圧を制御することができる。主に、シリコン含有ガス源３００ａ、バルブ３１０ａ、マスフローコントローラ２４１ａ、ガス供給管２３２ａ、ノズル２３０ａにより、ガス供給系としてのシリコン含有ガス供給系が構成される。

酸素含有ガスとして例えば酸素（Ｏ_２）ガスを供給するノズル２３０ｂは、例えば石英製であり、マニホールド２０９を貫通するようにマニホールド２０９に設けられている。ノズル２３０ｂは、少なくとも１本設けられており、ヒータ２０６と対向する領域より下方であってマニホールド２０９と対向する領域に設けられ、酸素含有ガスを処理室２０１内へ供給している。ノズル２３０ｂは、ガス供給管２３２ｂに接続されている。このガス供給管２３２ｂは、流量制御器（流量制御手段）としてのマスフローコントローラ２４１ｂ及びバルブ３１０ｂを介して酸素含有ガスとして、例えば酸素ガスを供給する酸素含有ガス源３００ｂに接続されている。この構成により、処理室２０１内へ供給する酸素含有ガス、例えば酸素ガスの供給流量、濃度、分圧を制御することができる。主に、酸素含有ガス源３００ｂ、バルブ３１０ｂ、マスフローコントローラ２４１ｂ、ガス供給管２３２ｂ、ノズル２３０ｂにより、ガス供給系としての酸素含有ガス供給系が構成される。

ハロゲン含有ガスとして例えば三フッ化窒素（ＮＦ_３）ガスを供給するノズル２３０ｃは、例えば石英製であり、マニホールド２０９を貫通するようにマニホールド２０９に設けられている。ノズル２３０ｃは、少なくとも１本設けられており、ヒータ２０６と対向する領域より下方であってマニホールド２０９と対向する領域に設けられ、ハロゲン含有ガスを処理室２０１内に供給している。ノズル２３０ｃは、ガス供給管２３２ｃに接続されている。このガス供給管２３２ｃは、流量制御器（流量制御手段）としてのマスフローコントローラ２４１ｃ及びバルブ３１０ｃを介してハロゲン含有ガスとして、例えば三フッ化窒素ガスを供給するハロゲン含有ガス源３００ｃに接続されている。この構成により、処理室２０１へ供給する三フッ化窒素ガスの供給流量、濃度、分圧を制御することができる。主に、ハロゲン含有ガス源として、例えばハロゲン含有ガス源３００ｃ、バルブ３１０ｃ、マスフローコントローラ２４１ｃ、ガス供給管２３２ｃ、ノズル２３０ｃにより、ガス供給系としてのハロゲン含有ガス供給系が構成される。

不活性ガスとして例えば窒素（Ｎ_２）ガスを供給するノズル２３０ｄは、例えば石英製であり、マニホールド２０９を貫通するようにマニホールド２０９に設けられている。ノズル２３０ｄは、少なくとも１本設けられており、ヒータ２０６と対向する領域より下方であってマニホールド２０９と対向する領域に設けられ、不活性ガスを処理室２０１内に供給している。ノズル２３０ｄは、ガス供給管２３２ｄに接続されている。このガス供給管２３２ｄは、流量制御器（流量制御手段）としてのマスフローコントローラ２４１ｄ及びバルブ３１０ｄを介して不活性ガスとして、例えば、窒素ガスを供給する不活性ガス源３００ｄに接続されている。この構成により、処理室２０１内へ供給する不活性ガス、例えば窒素ガスの供給流量、濃度、分圧を制御することができる。主に、不活性ガス源３００ｄ、バルブ３１０ｄ、マスフローコントローラ２４１ｄ、ガス供給管２３２ｄ、ノズル２３０ｄにより、ガス供給系としての不活性ガス供給系が構成される。

バルブ３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、およびマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄには、ガス供給量制御部２３５が電気的に接続され、所望のガス供給量、ガス供給開始、ガス供給停止等を所望のタイミングにて制御するように構成されている。

尚、本実施例では、ノズル２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄをマニホールド２０９と対向する領域に設けたが、これに限らず、例えば、少なくとも一部がヒータ２０６と対向する領域に設けて、シリコン含有ガスまたは酸素含有ガスまたはハロゲン含有ガスまたは不活性ガスをウエハの処理領域にて供給できるようにしても良い。例えばＬ字型のノズルを１以上用いて、ガスを供給する位置をウエハの処理領域まで延在させることで、１以上の位置からガスをウエハ近傍で供給することができるようにしても良い。また、マニホールド２０９と対向する領域、又はヒータ２０６と対向する対向する領域のいずれにおいても、ノズルを設けても良い。

また本実施例ではシリコン含有ガスとしてシランガスを例示したが、これに限らず、例えば、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）ガスやトリシラン（Ｓｉ_３Ｈ_８）ガス等の高次シランガスやジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスやトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスやテトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）ガスを用いても良く、またこれらの組み合わせて用いてもよい。

また本実施例では酸素含有ガスとして酸素（Ｏ_２）ガスを例示したが、これに限らず、例えば、オゾン（Ｏ_３）ガス等を用いても良い。

また本実施例では、三フッ化窒素（ＮＦ_３）ガスを例示したが、これに限らず、例えば、三フッ化塩素（ＣｌＦ_３）ガス、フッ素（Ｆ２）ガス等のフッ素（Ｆ）や塩素（Ｃｌ）等のハロゲンを含むハロゲン含有ガスを用いても良く、またこれらを組み合わせて用いても良い。

また本実施例では不活性ガスとして窒素（Ｎ_２）ガスを例示したが、これに限らず、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の希ガス等を用いても良く、また窒素ガスとこれらの希ガスとを組み合わせて用いても良い。

マニホールド２０９には、処理室２０１内の雰囲気を排気する排気管２３１が設けられている。排気管２３１は、インナーチューブ２０４とアウターチューブ２０５との隙間によって形成される筒状空間２５０の下端部に配置されており、筒状空間２５０に連通している。排気管２３１のマニホールド２０９との接続側と反対側である下流側には圧力検出器としての圧力センサ２４５および圧力調整装置２４２を介して真空ポンプ等の真空排気装置２４６が接続されており、処理室２０１内の圧力が所定の圧力（真空度）となるよう真空排気し得るように構成されている。圧力調整装置２４２および圧力センサ２４５には、圧力制御部２３６が電気的に接続されており、圧力制御部２３６は圧力センサ２４５により検出された圧力に基づいて圧力調整装置２４２により処理室２０１内の圧力が所望の圧力となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

マニホールド２０９の下方には、マニホールド２０９の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ２１９が設けられている。シールキャップ２１９はマニホールド２０９の下端に垂直方向下側から当接されるようになっている。シールキャップ２１９は例えばステンレス等の金属で構成されており、円盤状に形成されている。シールキャップ２１９の上面にはマニホールド２０９の下端と当接するシール部材としてのＯリング２２０ｂが設けられる。シールキャップ２１９の処理室２０１と反対側には、ボートを回転させる回転機構２５４が設置されている。回転機構２５４の回転軸２５５はシールキャップ２１９を貫通して、後述するボート２１７に接続されており、ボート２１７を回転させることでウエハ２００を回転させるように構成されている。シールキャップ２１９はプロセスチューブ２０３の外部に垂直に設備された昇降機構としてのボートエレベータ１１５によって垂直方向に昇降されるように構成されており、これによりボート２１７を処理室２０１に対し搬入搬出することが可能となっている。回転機構２５４及びボートエレベータ１１５には、駆動制御部２３７が電気的に接続されており、所望の動作をするよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

基板保持具としてのボート２１７は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料で構成されており、複数枚のウエハ２００を水平姿勢でかつ互いに中心を揃えた状態で整列させて多段に保持するように構成されている。なおボート２１７の下部には、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料で構成されており円板形状をした断熱部材としての断熱板２１６が水平姿勢で多段に複数枚配置されており、ヒータ２０６からの熱がマニホールド２０９側に伝わりにくくなるよう構成されている。

プロセスチューブ２０３内には、温度検出器としての温度センサ２６３が設置されている。ヒータ２０６と温度センサ２６３には、電気的に温度制御部２３８が接続されており、温度センサ２６３により検出された温度情報に基づきヒータ２０６への通電具合を調整することにより処理室２０１内の温度が所望の温度分布となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８は、操作部、入出力部をも構成し、基板処理装置全体を制御する主制御部２３９に電気的に接続されている。これら、ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８、主制御部２３９はコントローラ２４０として構成されている。

次に、上記構成に係る処理炉２０２を用いて、半導体装置の製造工程の一工程として、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学気相成長）法によりウエハ２００に薄膜を形成する方法について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ２４０により制御される。

複数枚のウエハ２００がボート２１７に装填（ウエハチャージ）されると、図２に示されているように、複数枚のウエハ２００を保持したボート２１７は、ボートエレベータ１１５によって持ち上げられて処理室２０１に搬入（ボートローディング）される。この状態で、シールキャップ２１９はＯリング２２０ｂを介してマニホールド２０９の下端をシールした状態となる。

処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空排気装置２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１内の圧力は、圧力センサ２４５で測定され、この測定された圧力に基づき圧力調節器２４２により、フィードバック制御される。また、処理室２０１内が所望の温度となるようにヒータ２０６によって加熱される。この際、処理室２０１内が所望の温度分布となるように温度センサ２６３が検出した温度情報に基づきヒータ２０６への通電具合がフィードバック制御される。続いて、回転機構２５４により、ボート２１７が回転されることで、ウエハ２００が回転される。

次いで、図２に示すように処理ガスとして、たとえばシリコン含有ガス供給源３００ａからシリコン含有ガスが供給され、ＭＦＣ２４１ａにて所望の流量となるように制御されたシリコン含有ガスは、ガス供給管２３２ａを流通してノズル２３０ａから処理室２０１内に導入される。導入されたシリコン含有ガスは処理室２０１内を上昇し、インナーチューブ２０４の上端開口から筒状空間２５０に流出して排気管２３１から排気される。シリコン含有ガスは処理室２０１内を通過する際にウエハ２００の表面と接触し、この際に熱ＣＶＤ反応によってウエハ２００に膜、たとえばシリコン膜が堆積（デポジション）される。

予め設定された処理時間が経過すると、不活性ガス供給源３００ｄから不活性ガスがＭＦＣ２４１ｄにて所望の流量となるように制御されて供給され、処理室２０１内が不活性ガスに置換されるとともに、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される。

その後、ボートエレベータ１１５によりシールキャップ２１９が下降されて、マニホールド２０９の下端が開口されるとともに、処理済ウエハ２００がボート２１７に保持された状態でマニホールド２０９の下端からプロセスチューブ２０３の外部に搬出（ボートアンローディング）される。その後、処理済ウエハ２００はボート２１７より取出される（ウエハディスチャージ）。

次に本発明の第１実施形態における膜形成する方法について、さらに詳細に説明する。上述の半導体製造装置１０を用いて、半導体装置の製造工程の一工程として基板に以下のような手順で目的の膜を形成する。

図４は第１実施形態における各工程の基板の状態を示す模式図である。図４に示すように第１実施形態では、基板となるウエハ２００にシリコン膜を形成する膜形成工程をし、シリコン膜に酸化種を供給して、シリコン膜を熱処理しシリコン膜の表層を酸化シリコン膜に改質される改質工程をし、酸化シリコン膜を除去する除去工程が行う。これによりシリコン膜が熱処理され、シリコン膜の表層が酸化シリコン膜に改質される。この際にシリコン膜の表層が酸化シリコン膜に改質されるので、シリコン膜の膜厚を薄くすることができ、改質された酸化シリコン膜はキャップ膜（Ｃａｐ膜）として構成することができ、熱処理に伴い、発生してしまうシリコン膜の表面のシリコンの移動を抑制することが出来る。これにより表面粗さ（表面ラフネス）の小さいシリコン膜、例えばポリシリコン膜（多結晶膜）を形成することが出来る。詳細について以下に説明する。

各工程について以下に詳細に説明する。

＜膜形成工程＞
シリコン等で構成される基板としてのウエハ２００に例えば、アモルファスシリコン（非晶質シリコン、amorphous silicon）膜７１０を形成する膜形成工程について説明する。処理室２０１内に少なくともシリコン含有ガスを供給し、一例としてＣＶＤ法を用いてウエハ２００上にアモルファスシリコン膜７１０を１５ｎｍ以上８０ｎｍ以下程度の膜厚で形成されることが好ましい。

また、好ましくはウエハ２００に、酸化シリコン膜が形成されていることが良く、ウエハ２００に形成されている酸化シリコン膜に上述の方法で、アモルファスシリコン膜７１０が形成されることが望ましい。これにより、例えば、形成されるアモルファスシリコン膜７１０と酸化シリコン膜との密着性が高くなるので、形成する半導体装置の性能が劣化することを低減し、スループットが低下することを抑制することができる。

なお、シリコン含有ガスとして、シランガス（ＳｉＨ_４ガス）又は、ジシランガス（Ｓｉ_２Ｈ_６ガス）又はジクロロシランガス（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス）等が挙げられる。

また、好ましくはアモルファスシリコン膜７１０が形成されるとき、まずジシランガスを供給しシリコンで構成されるシード（Ｓｅｅｄ）層７１０ａを形成した後、シランガスを供給して形成されたシード層７１０ａ上にシリコン層７１０ｂを形成してアモルファスシリコン膜７１０を形成することが良い。
これによりジシランガスを供給してシード層７１０ａを形成することにより基板であるウエハ２００にシリコン結晶核を均一に形成することができ、その後のシランガスを供給することで、均一に形成されたシリコン結晶核が成長する為、形成されるシリコン層７１０ｂは、均一に形成することができる。つまり、ウエハ２００に形成されるシリコン膜、例えば、アモルファスシリコン膜７１０は、上述のシード層７１０ａとシリコン層７１０ｂとで構成されることで、膜厚の面内均一性が良好に形成することができる。

なお、一例まで、本実施形態の処理室２０１内にてウエハ２００を処理する際の処理条件、すなわち、ウエハ２００にジシランガスによるシード層７１０ａを形成する際の処理条件としては、
処理温度：３９０℃以上４８０℃以下、
処理圧力：４０Ｐａ以上１２０Ｐａ以下、
ジシランガス供給流量：５０ｓｃｃｍ以上５００ｓｃｃｍ以下、
が例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ２００にシリコンで構成されるシード層７１０ａが形成される。

また、一例まで、本実施形態の処理室２０１内にてウエハ２００を処理する際の処理条件、すなわちシード層７１０ａにシリコン層７１０ｂを形成する際の処理条件としては、
処理温度：４９０℃以上５４０℃以下、
処理圧力：４０Ｐａ以上２００Ｐａ以下、
シランガス供給流量：５００ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下、
が例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでシード層７１０ａにシリコン層７１０ｂが形成される。

上述のような膜形成工程によって、ウエハ２００上に表面粗さ（ラフネス）の小さいアモルファスシリコン膜７１０が形成される。

なお、シリコンで構成されるシード層７１０ａは１ｎｍ（ナノメートル）以上の膜厚が好ましい。ジシランガスを供給することによって形成されるシード層７１０ａの膜厚が１ｎｍとシランガスを供給するによって形成されたシリコン層７１０ｂの膜厚が１３ｎｍとのアモルファスシリコン膜７１０が１５ｎｍとしたとき、ステップカバレージが９５％程度の高いステップカバレージを確保できることが得られている。これにより次世代３次元メモリ（３Ｄメモリ）への応用が可能となる。

なお、上述では、ジシランガスとシランガスとを用いてアモルファスシリコン膜７１０を形成する成膜条件を示したが、これに限らず、シリコン含有ガスのいずれか１種のガス又は上述に例示したその他のシリコン含有ガスの１種類又はその組み合わせを用いてアモルファスシリコン膜７１０を形成しても良い。

尚、上述では、ＣＶＤ法による膜形成について説明したが、これに限らず、例えばＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、原子層成長）法を用いても良い。

＜改質工程＞
続いて、シリコン膜、例えばアモルファスシリコン膜７１０に酸化種を供給して酸化シリコン膜を熱処理し、シリコン膜の表層を酸化シリコン膜に改質する改質工程を行う。

処理室２０１内に例えば、少なくとも酸化種として、酸素（Ｏ_２）ガスを供給し、シリコン膜、例えば、アモルファスシリコン膜７１０を熱処理し、シリコン膜の表層を酸化シリコン膜７２０に改質する。改質工程により形成された酸化シリコン膜７２０は２〜５０ｎｍ程度の膜厚で形成されていることが好ましい。

これにより、シリコン膜、例えばアモルファスシリコン膜７１０は、熱処理によりポリシリコン膜（多結晶シリコン膜）７３０になりつつ、供給された酸化種によりアモルファスシリコン膜７１０の表層が改質されて酸化シリコン膜７２０になる。更に、このとき、形成されるポリシリコン膜７３０の膜厚は、アモルファスシリコン膜７１０の膜厚よりも薄く形成することが出来る。

また、改質工程により形成された酸化シリコン膜７２０はキャップ膜（Ｃａｐ膜）として働き、熱処理によりアモルファスシリコン膜７１０からポリシリコン膜７３０へと改質される際に、構成しているシリコン、特にポリシリコン膜７３０と酸化シリコン膜７２０との界面に存在するシリコンの移動を抑制することができる。つまり、後述の除去工程により酸化シリコン膜７２０を除去することで、露出されるポリシリコン膜７３０の表層のシリコンが移動することを抑制されているので、露出されるポリシリコン膜７３０の表層は表面粗さ（表面ラフネス、Ｒｍｓ）の小さいポリシリコン膜７３０を形成することが出来る。

一例まで、本実施形態の処理室２０１内にてウエハ２００を処理する際の処理条件としては、
処理温度：７００℃以上９５０℃以下、
処理圧力：１００Ｐａ以上１０００００Ｐａ以下、
酸素ガス供給流量：４ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下、
が例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでシリコン膜、例えばアモルファスシリコン膜７１０が熱処理されポリシリコン膜７３０になり、供給された酸化種によりアモルファスシリコン膜７１０の表層が酸化シリコン膜７２０に改質される。

アモルファスシリコン膜７１０に酸化種を供給することにより、アモルファスシリコン膜７１０は熱処理されてポリシリコン膜７３０になりつつ、供給された酸化種によりアモルファスシリコン膜７１０表層は、酸化シリコン膜７２０に改質処理される。
このとき、酸化種により改質された酸化シリコン膜７２０はキャップ膜（Ｃａｐ膜）として働き、熱処理されてポリシリコン膜７３０を構成しているシリコン、特にポリシリコン膜７３０と酸化シリコン膜７２０との界面におけるシリコンの移動を抑制することができる。また、酸化シリコン膜７２０はアモルファスシリコン膜７１０の表層が改質処理ことで形成しているので、形成されるポリシリコン膜７３０は、薄い膜厚で形成することができる。換言すれば、改質工程にて供給される酸化種、例えば、酸素ガスの供給量や処理室内の圧力（処理圧力）や温度（処理温度）等の処理条件を制御することで、酸化シリコン膜７２０に改質される量、つまり改質される酸化シリコン膜７２０の膜厚を制御することができ、これにより、ポリシリコン膜７３０の膜厚を制御することができる。

なお、本実施形態では、酸化種として酸素ガスを例示したが、好ましくは、酸素ガスと水素ガスとを独立して処理室内に供給して改質処理を行うことが良い。これにより、酸化反応初期の速度が速いため、シリコンで構成されるウエハ２００に異なる２以上の面方位を有する場合であっても、シリコン面方位に依存した酸化速度の差が生じることを著しく小さくすることができ、改質処理を均一に行うことができる。しかし、これに限らず、例えば、Ｈ_２Ｏガスを用いた方法等の酸素含有ガスを用いた方法で行っても良い。

＜除去工程＞
次に、改質工程にて形成された酸化シリコン膜７２０を除去する除去工程を行う。これにより、酸化シリコン膜７２０が除去され、ポリシリコン膜７３０が露出する。

処理室２０１内に例えば、少なくとも三フッ化窒素（ＮＦ_３）ガスを供給し、ドライエッチングすることにより形成されている酸化シリコン膜７２０を除去する。
このとき、酸化シリコン膜７２０は、三フッ化窒素ガスと反応し、酸化シリコン膜のシリコンは三フッ化窒素ガスのフッ素と結合しフッ化シリコン化合物（Ｓｉ_ｘＦ_ｙ、但しｘ、ｙは整数）を形成し、酸化シリコン膜の酸素は三フッ化窒素ガスの窒素と結合し酸化窒素化合物（ＮＯ_ｚ、但し、ｚは整数）を形成し、それぞれガスとして処理室２０１から排気されるため、酸化シリコン膜７２０は除去される。

これにより、上述で説明したように改質工程でウエハ２００に形成されていた表面粗さの小さいポリシリコン膜７３０を得ることができる。

本実施形態では、三フッ化窒素（ＮＦ_３）ガスを例示したが、これに限らず、例えば三フッ化塩素（ＣｌＦ_３）ガス、フッ素（Ｆ_２）ガス等のフッ素や塩素を含むハロゲン含有ガスを用いても良い。
また、上述のドライエッチングによる除去する方法に寄らず、半導体製造装置１０からウエハ２００を搬出した後に、他の装置を用いて、薬液によるウエットエッチング法により酸化シリコン膜７２０を除去しても良い。好ましくは例えば、１％に希釈された希フッ酸溶液を用いてウエットエッチングし、酸化シリコン膜７２０を除去することにより、表面粗さの小さいポリシリコン膜７３０が形成することができる。
薬液として希フッ酸溶液を用いたが、これに限らず、その他のハロゲンを含む溶液を用いても良いし、溶液の濃度について、更に高濃度であっても良い。

一連の処理完了後、処理ガスの供給を停止し、不活性ガス供給源から不活性ガスが供給され、処理室２０１内が不活性ガスで置換されると共に、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される。

その後、昇降モータ１２２によりシールキャップ２１９が下降されて、マニホールド２０９の下端が開口されると共に、処理済ウエハ２００がボート２１７に保持された状態でマニホールド２０９の下端から処理室２０１の外部に搬出（ボートアンローディング）し、ボート２１７に支持された全てのウエハ２００が冷えるまで、ボート２１７を所定位置で待機させる。次に、待機させたボート２１７のウエハ２００が所定温度まで冷却されると、基板移載機２８により、ボート２１７からウエハ２００を取り出し、ポッドオープナ２４にセットされている空のポッド１６に搬送して収容する。その後、ポッド搬送装置２０により、ウエハ２００が収容されたポッド１６をポッド棚２２、またはポッドステージ１８に搬送する。このようにして半導体製造装置１０の一連の作用が完了する。

＜比較＞
上述の方法で形成したポリシリコン膜７３０と、サンプル膜７５０としてウエハ２００にポリシリコン膜を形成した場合を比較する。

ここでサンプル膜の成膜方法について説明する。
図５は、サンプル膜を形成する各工程にて形成される膜の模式図を示している。まずウエハ２００にアモルファスシリコン膜７１０を形成しアモルファスシリコン膜７１０に熱処理を施すことにより、アモルファスシリコン膜７１０をポリシリコン膜７５０に変形してサンプル膜が形成される。

なお、サンプル膜を形成する際のアモルファスシリコン膜７１０の形成方法は上述の第１実施形態の際と同じであり、熱処理の工程に関する処理条件は以下のとおりとする。

一例まで、本実施形態の処理室２０１内にてウエハ２００にサンプル膜７５０を形成する際にアモルファスシリコン膜７１０を熱処理する処理条件としては、
処理温度：６５０℃以上９５０℃以下、
処理圧力：５０００Ｐａ以上１００００００Ｐａ以下、
窒素ガス供給流量：５００ｓｃｃｍ以上２０００ｓｃｃｍ以下、
が例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでアモルファスシリコン膜７１０が熱処理される。

なお、熱処理する基板に適した条件に応じて熱処理温度および熱処理に必要な処理時間を適宜調整することが望ましい。

図６にて第１実施形態の方法で形成された膜の表面粗さとサンプル膜７５０の表面粗さとを比較した結果を示している。いずれも、ウエハ２００に１５〜８０ｎｍのポリシリコン膜（多結晶シリコン膜）が形成されているが、それぞれの表面粗さ（表面ラフネス、Ｒｍｓ）は大きく違う。サンプル膜におけるポリシリコン膜７５０の表面ラフネスＲｍｓ＝0.62ｎｍと高い値を示しているのに対し、第１実施形態の方法で形成したポリシリコン膜７３０の表面ラフネスＲｍｓ＝0.33ｎｍと良好な値である。これは熱処理する際に、アモルファスシリコン膜の表面のシリコンが熱により移動してしまうためであり、第１実施形態においては、アモルファスシリコン膜７１０が熱処理されポリシリコン膜７３０になりつつ、供給される酸化種により表層が酸化シリコン膜７２０に改質されることで、形成される酸化シリコン膜７２０はキャップ膜（Ｃａｐ膜）となるので、ポリシリコン膜を構成しているシリコン、特に、ポリシリコン膜７３０と酸化シリコン膜７２０との界面に存在するシリコンの熱処理による移動を抑制することができるためである。更に除去工程を経て露出されるポリシリコン膜（多結晶シリコン膜）７３０は表面粗さ（表面ラフネス）の小さい膜を形成することができる。

また、図７では、アモルファスシリコン膜の膜厚値と各膜厚値における膜厚面内均一性の関係を示す。図７では、横軸に成膜時間（min）、縦軸は、左側に成膜されたアモルファスシリコン膜の膜厚値（nm）、右側にウエハ２００に成膜されたアモルファスシリコン膜の膜厚面内均一性（％）をそれぞれ示す。図７に示すように、アモルファスシリコン膜は薄膜になるにつれて面内均一性が著しく悪化する傾向がある。したがって半導体スケールが小さくなるにつれて、アモルファスシリコン膜を形成する工程のみでは平坦な表面を形成することができず、適用することが困難となることが考えられる。

本発明の第１実施形態を用いて、表面粗さ（表面ラフネス）の小さいポリシリコン膜７３０が形成されることは、半導体装置のスケールが小さくなりシリコン膜の膜厚が薄くする要求が大きくなる場合に有用である。半導体装置の製造工程の中で例えば、シリコン膜を均一に形成することができ、また、ポリシリコン膜７３０の上に形成される膜との結合力を強くすることができる。更に良好な性能を有する半導体装置を安定して製造することができる。

本実施形態によれば、以下に示す効果のうち少なくとも１つ以上の効果を奏する
（１）表面粗さの小さいポリシリコン膜（多結晶膜）を形成することが出来る。
（２）供給される酸化種の供給条件を制御することで、形成されるポリシリコン膜の膜厚を制御することができる。
（３）（１）において、膜形成工程にて、ジシランガスを用いて形成するシリコンで構成されるシード層とシランガスを用いて形成されるシリコン層とでシリコン膜を形成することにより、表面粗さの小さく、面内均一性の良好なポリシリコン膜を形成することが出来る。
（４）（１）において、半導体製造工程において、シリコンで構成される絶縁膜を均一に形成することができる。
（５）（１）において特に高いアスペクト比（Aspect比）を有するトレンチ構造等に適用する際に良好なステップカバレージ（Step Coverage）を得ることが出来る。
（６）（１）において、ポリシリコン膜の上に形成される膜との結合力を強くすることができる。
（７）良好な性能を有する半導体装置を安定して製造することができ、スループットの向上が出来る。

なお、上述の実施形態では、１つの半導体製造装置１０にて、一連の膜形成を行ったが、これに限らず、それぞれの工程をそれぞれの専用の処理装置で行っても良い。

尚、本発明はバッチ式装置に限らず枚葉式装置にも適用できる。

なお、本発明はポリシリコン膜の形成に関して説明したが、その他のエピタキシャル膜及びＣＶＤ膜、たとえば窒化シリコン膜等に関しても適用することができる。

［付記］
以下に、本実施形態に係る好ましい態様を付記する。

［付記１］
基板にシリコン膜を形成する膜形成工程と、
前記シリコン膜に酸化種を供給し、前記シリコン膜を熱処理し前記シリコン膜の表層を酸化シリコン膜に改質する改質工程と、
前記酸化シリコン膜を除去する除去工程と、
を有する半導体装置の製造方法。

［付記２］
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に少なくともシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給系と、
前記処理室内に少なくとも酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給系と、
前記処理室内に少なくともハロゲン含有ガスを供給するハロゲン含有ガス供給系と、
前記シリコン含有ガス供給系が前記処理室内に少なくとも前記シリコン含有ガスを供給し前記基板にシリコン膜を形成し、前記酸素含有ガス供給系が前記処理室内に前記酸素含有ガスを供給し前記シリコン膜を熱処理し前記シリコン膜の表層を酸化シリコン膜に改質し、前記ハロゲン含有ガス供給系が前記処理室内に前記ハロゲン含有ガスを供給し前記酸化シリコン膜を除去するように制御するコントローラと、
を有する基板処理装置。

［付記３］
基板にシリコン膜を形成する膜形成工程と、
前記シリコン膜に酸化種を供給し、前記シリコン膜を熱処理し前記シリコン膜の表層を酸化シリコン膜に改質する改質工程と、
前記酸化シリコン膜を除去する除去工程と、
を有する基板処理方法。

［付記４］
付記１において膜形成工程は、前記処理室内にジシランガスを供給し前記基板にシリコンで構成されたシード層を形成し、前記処理室内にシランガスを供給し前記シード層にシリコン膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。

［付記５］
付記１において膜形成工程は、前記処理室内にジシランガスを供給し前記基板にシリコンで構成されたシード層を形成し、ジシランガスの供給を停止した後に処理室内にシランガスを供給し前記シード層にシリコン膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。

［付記６］
付記４乃至５において、シード層の膜厚は１ｎｍ以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。

［付記７］
前記除去工程では、前記基板へハロゲン含有ガスを供給し、前記シリコン酸化膜を除去する半導体装置の製造方法。

半導体製造装置 １０
筐体 １２
ポッド １６
ポッドステージ １８
ポッド搬送装置 ２０
ポッド棚 ２２
ポッドオープナ ２４
基板枚数検知器 ２６
基板移載機 ２８
アーム ３２
ボートエレベータ １１５
昇降モータ １２２
ウエハ ２００
処理室 ２０１
処理炉 ２０２
プロセスチューブ ２０３
インナーチューブ ２０４
アウターチューブ ２０５
ヒータ ２０６
マニホールド ２０９
断熱板 ２１６
ボート ２１７
シールキャップ ２１９
Ｏリング ２２０ａ、２２０ｂ
ノズル ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄ
排気管 ２３１
ガス供給管 ２３２
ガス流量制御部 ２３５
圧力制御部 ２３６
駆動制御部 ２３７
温度制御部 ２３８
主制御部 ２３９
コントローラ ２４０
ＭＦＣ（マスフローコントローラ） ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄ
圧力調整装置 ２４２
圧力センサ ２４５
真空排気装置 ２４６
筒状空間 ２５０
回転機構 ２５４
回転軸 ２５５
温度センサ ２６３
シリコン含有ガス供給源 ３００ａ
酸素含有ガス供給源 ３００ｂ
ハロゲン含有ガス供給源 ３００ｃ
不活性ガス供給源 ３００ｄ
バルブ（開閉装置） ３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ
酸化シリコン膜 ７００
アモルファスシリコン膜 ７１０
シード層 ７１０ａ
アモルファスシリコン層 ７１０ｂ
酸化シリコン膜（Ｃａｐ膜） ７２０
ポリシリコン膜 ７３０
比較サンプル膜 ７５０

Claims (3)

1. 基板にシリコン膜を形成する膜形成工程と、
   前記シリコン膜に酸化種を供給し、前記シリコン膜を熱処理し前記シリコン膜の表層を酸化シリコン膜に改質する改質工程と、
   前記酸化シリコン膜を除去する除去工程と、
   を有する半導体装置の製造方法。
2. 基板を処理する処理室と、
   前記処理室内に少なくともシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給系と、
   前記処理室内に少なくとも酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給系と、
   前記処理室内に少なくともハロゲン含有ガスを供給するハロゲン含有ガス供給系と、
   前記シリコン含有ガス供給系が前記処理室内に少なくとも前記シリコン含有ガスを供給し前記基板にシリコン膜を形成し、前記酸素含有ガス供給系が前記処理室内に前記酸素含有ガスを供給し前記シリコン膜を熱処理し前記シリコン膜の表層を酸化シリコン膜に改質し、前記ハロゲン含有ガス供給系が前記処理室内に前記ハロゲン含有ガスを供給し前記酸化シリコン膜を除去するように制御するコントローラと、
   を有する基板処理装置。
3. 基板にシリコン膜を形成する膜形成工程と、
   前記シリコン膜に酸化種を供給し、前記シリコン膜を熱処理し前記シリコン膜の表層を酸化シリコン膜に改質する改質工程と、
   前記酸化シリコン膜を除去する除去工程と、
   を有する基板処理方法。