CN106062251A - 多晶硅膜的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及形成硅膜的方法，更详细地涉及在形成硅膜的工序中包含预处理工序的多晶硅膜形成方法。根据本发明的一实施例，硅膜形成方法在对蒸镀于基底上的非晶硅膜进行热处理而制作多晶硅膜的工序中，在热处理之前包括预处理工序，该预处理工序流过包含有N、C、O、B中任一种以上元素的预处理气体。

Description

多晶硅膜的形成方法
技术领域
本发明涉及形成多晶硅膜的方法，更详细地涉及包括预处理工序的多晶硅膜的形成方法。
背景技术
多晶硅膜的形成方法中之一是，首先为了在基底上形成包含非晶硅膜的膜，在加热的基底(或硅氧化膜)表面供给硅烷类气体来使硅烷类气体热分解，从而可以在基底表面上形成非晶硅膜。
然后，经过通过热处理形成多晶硅膜的过程。但是，在热处理工序中发生硅迁移(silicon migration)而发生硅凝聚现象(silicon algglomeration)。在这过程中表面的厚度变得不均匀，具有粗糙度增加的问题。
发明内容
技术课题
本发明的目的在于，提供一种多晶硅膜的形成方法，可以防止在对非晶硅膜进行热处理的情况下产生的硅的迁移。
本发明的另一目的在于，提供一种多晶硅膜的形成方法，可以改善硅膜表面粗糙度的精密度。
本发明的其它目的可以根据下面的详细说明和附图更加清楚。
课题解决方案
根据本发明的一实施例，多晶硅膜形成方法在对蒸镀在基底上的非晶硅膜进行热处理来制造多晶硅膜的工序中，在热处理之前包括预处理工序，该预处理工序流过包含有N、C、O、B中任一种以上元素的预处理气体。
上述预处理气体可以是N2O、C2H4、NH3、B2H6中任一种以上。
上述预处理气体可以以4000～6000SCCM被供给50～70秒。
上述预处理可以在500～750℃、20～300Torr下进行。
上述非晶硅膜的厚度可以是以下。
上述热处理可以在800～950℃下进行10～100秒。
上述热处理在1～10Torr下进行。
上述硅膜形成方法可以被利用于半导体装置的成膜工艺。
有利效果
本发明提供在对非晶硅膜进行热处理之前进行预处理的工序，从而可以防止在热处理过程中发生的硅迁移。另外，由于防止硅迁移，从而可以防止硅凝聚现象。并且，通过热处理工序来形成多晶硅膜时对多晶硅膜的表面粗糙度有效果。
附图说明
图1是表示基底层的图。
图2是表示在基底层成膜有非晶硅的图。
图3是表示形成有多晶硅膜的图。
图4是表示基于非晶硅膜厚度的热处理前后的硅膜厚度的图表的图。
图5是一般热处理工序前后的基于压力和时间的硅膜的厚度变化的图。
图6是根据本发明的一实施例的改变预处理工序的情况下比较热处理(anneal)前(As-Dep)后(Anneal)的表面厚度(Thickness)变化的图表的图。
图7是表示根据本发明的一实施例的未进行预处理的情况下改变压力、进行了预处理、改变厚度的情况下进行热处理之后表面粗糙度(Roughness)的变化的图表的图。
图8是表示未进行预处理而在50Torr下热处理前(a)后(b)的TEM照片的图。
图9是表示未进行预处理而在100Torr下热处理前(a)后(b)的TEM照片的图。
图10是表示未进行预处理而在150Torr下热处理前(a)后(b)的TEM照片的图。
图11是表示将厚度的非晶硅膜未进行预处理而进行热处理前(a)后(b)的TEM照片的图。
图12是表示用氦(He)进行了预处理的热处理前(a)后(b)的TEM照片的图。
图13是表示根据本发明的一实施例的用氨(NH3)进行了预处理的热处理前(a)后(b)的TEM照片的图。
图14是表示表1的比较例1的TEM照片的图。
图15是表示表1的实施例1的TEM照片的图。
图16是表示表1的实施例2的TEM照片的图。
图17是表示表1的比较例2的TEM照片的图。
图18是表示表1的实施例3的TEM照片的图。
图19是表示表1的比较例3的TEM照片的图。
图20是表示表1的实施例4的TEM照片的图。
图21是表示根据各处理的表面粗糙度(RMS)的图表的图。
图22是根据本发明的一实施例的热处理前用乙硼烷(B2H6)进行了预处理的硅膜的TEM照片的图。
图23是根据本发明的一实施例的热处理后用乙硼烷(B2H6)进行了预处理的硅膜的TEM照片的图。
具体实施方式
下面，参考附图更详细地说明本发明的优选实施例。本发明的实施例可以变形为各种各样的方式，本发明的范围不应解释为限定于以下说明的实施例。
本实施例是为了向本发明所属技术领域的普通技术人员更详细地说明本发明而提供的。因此，为了强调清楚的说明，图中出现的各要素的形状可以被夸张。另一方面，本领域普通技术人员当然清楚除了实施例中说明的半导体制造工序以外，也可以应用于多种状态的硅膜等。
在半导体制造工序中，形成非晶硅膜之后经过进行热处理而通过结晶化形成多晶硅膜的过程。
图1至图3是表示将包含硅膜的膜进行成膜的过程的剖面图。首先，如图1所示，基底10可以由氧化硅膜或氮化硅膜等构成。如图2所示，在这样的基底10形成非晶硅膜20。非晶硅膜20可以在20～200Torr下形成，可以被供给10～200sccm如硅烷类气体或氨基硅烷类气体那样的硅前驱体气体。
若对非晶硅膜20进行热处理，则如图3所示形成多晶硅膜50。热处理可以在800～950℃下进行10～100秒，优选在900℃下进行30秒。另外，进行热处理的腔内部的工序压力可以是1～10Torr。
图4是表示如上所述工序的基于非晶硅膜厚度的热处理前后的硅膜厚度的图表。研究非晶硅膜的厚度为的情况，可以确认热处理(Anneal)后硅膜的厚度减少。
这被认为是在薄膜形态的情况下硅元素在热处理过程中移动而不均匀分布的结果。若进行热处理，非晶硅的情况下发生硅迁移(silicon migration)。在发生硅迁移的情况下产生表面的硅凝聚的现象(Silicon algglomeration)，随之表面变得不均匀而存在厚度变薄的问题。硅迁移被判断为非晶硅膜20内的硅原子与周边的硅原子结合而产生，认为硅原子利用通过热处理提供的能量相互结合。
为了防止这种现象，形成非晶硅膜之后进行热处理工序之前可以进行预处理工序。预处理工序是通过在热处理之前流过包含有氮(N)、碳(C)、氧(O)、硼(B)中任一种以上元素的预处理气体的方法进行。优选的，通过将一氧化二氮(N2O)、乙烯(C2H4)、氨(NH3)、乙硼烷(B2H6)中任一种以上预处理气体流到非晶硅膜上的方法进行。
在流过预处理气体时，将预处理气体以5000SCCM流过60秒可以是优选的方法。SCCM(Standard Cubiccentimeter per minutes)单位表示在标准条件下每1分钟流过1cc(cm3)的流量单位。在预处理气体浓度过低的情况下,有可能不进行非晶硅膜的硅和预处理气体的元素之间的结合。另外，在缩短流过预处理气体的时间的情况下，预处理气体层未充分覆盖非晶硅膜，预处理气体的元素和硅膜的硅元素之间的结合有可能形成得不均匀。因此，预处理气体工序中，优选将预处理气体以4000～5000SCCM流过50～70秒，且优选以5000SCCM流过60秒。
另外，为了预处理气体的元素和硅膜的硅有效结合，预处理工序可以在500～700℃、20～300torr下进行，优选在500℃、100torr下进行。
在经过预处理过程的情况下，预处理气体被热分解，预处理气体的元素(N、C、O、B中的一个)和硅元素结合。因此，若结合之后施加热处理，则可以防止由硅之间的结合引起的硅迁移现象，在防止硅迁移的情况下表面可以均匀分布，具有改善表面粗糙度的效果。
图5是表示通常的热处理工序前后的根据压力(a)和时间(b)的硅膜厚度变化的图。如图5所示，不经过预处理工序而进行热处理的情况下，根据压力和时间具有微细的差异，可以确认厚度减少大约5倍以上。
图6是在改变预处理工序的情况下比较热处理前(As-Dep)后(Anneal)的表面厚度(Thickeness)变化的图表。在图6中，分别在100Torr下进行30sec的热处理的情况下，表示未进行预处理的情况(Ref)、用氦进行了预处理的情况(He)、用氨(NH3)进行了预处理的情况(N TRT)、用乙烯(C2H4)进行了预处理的情况(C TRT)、用一氧化二氮(N2O)进行了预处理的情况(OTRT)下的硅膜的厚度变化。
如图6所示，在未进行预处理的状态(Ref)下，可以看到厚度从降到这是由于硅迁移在特定部分发生硅凝聚现象的同时特定部分的厚度减少而产生的现象。这种现象在将氦(He)用作预处理气体时也相同。在用惰性气体氦进行预处理的情况下氦的反应性较小，几乎不与非晶硅膜进行反应，所以可以认为表现出与未进行预处理的情况类似的现象。
反之，用氨进行预处理的情况下，可知在热处理之后也几乎没有厚度的的变化。这判断为在非晶硅膜上结合氨气而妨碍硅之间的结合，从而防止硅迁移。这在用乙烯处理的情况和一氧化二氮的情况下也类似。在用乙烯进行了预处理的情况下，从热处理前的大约到热处理后的大约厚度的减少比未进行预处理的情况少。另外，可以看到在用一氧化二氮进行了预处理的情况下也维持以上的厚度。
图7是非晶硅膜的厚度为未进行预处理的情况下改变压力时，非晶硅膜的厚度为压力为100torr时用氨气进行了预处理的情况，压力为100torr、非晶硅膜的厚度为的情况下热处理后表面粗造度(Roughness)的变化的图表。
如图7所示，在未进行预处理的情况即压力为50Torr(50T)的情况下，可以看到粗糙度从0.28变成11.75，大约增加41.96倍。同样地，在压力为100Torr(100T)和150Torr(150T)的情况下，粗糙度分别比热处理之前增加25.60倍、33.30倍。这是由于硅迁移在表面发生硅的凝集，随之表面变得不均匀而产生的结果。与此类似地，用惰性气体氦进行了预处理的情况(He)下非晶硅膜和预处理气体氦不结合，从而防止在热处理工序中发生的硅迁移的效果微弱，可以看到粗糙度大幅上升。
反之，在用氨进行了预处理的情况(NH TRT)下，可以看到表面的粗糙度在热处理前后同样为0.34。如上所述，这判断为非晶硅膜的硅元素和预处理气体氨的氮元素结合的同时防止硅原子之间的结合，从而防止因硅迁移变粗糙的现象。
图8是未进行预处理在50Torr下热处理前(a)后(b)的TEM照片，图9是未进行预处理在100Torr下热处理前(a)后(b)的TEM照片，图10是未进行预处理在150Torr下热处理前(a)后(b)的TEM照片。研究图8～图10，在未进行预处理的情况下可以看到热处理后全部出现较大的不均匀现象100。
图11是表示将厚度的非晶硅膜未进行预处理而进行热处理前(a)后(b)的TEM照片，图12是表示用氦(He)进行了预处理的热处理前(a)后(b)的TEM照片，图13是表示用氨(NH3)进行了预处理的热处理前(a)后(b)的TEM照片。
图11的情况下未进行热处理，厚度相对薄，在热处理后(b)不均匀现象100大且出现得多。这被认为是由于厚度薄的情况下热处理时容易引起硅迁移。
图12的情况下，如上所述，认为用隋性气体氦气时氦元素和非晶硅膜的硅的结合不顺畅而未有效地发生预处理。随之，未能防止硅元素之间的结合而发生硅迁移而硅凝集，所以产生不均匀现象100。
在图13的情况下进行氨处理，可以确认预处理气体氨的氮元素和硅元素结合而防止热处理过程中的硅迁移，不出现表面的缺陷。
[表1]
图14是表示表1的比较例1，图15是表1的实施例1，图16是表1的实施例2，图17是表1的比较例2，图18是表1的实施例3，图19是表1的比较例3，图20是表1的比较例4的TEM照片的图。
如图14至图18所示，研究比较例1、2及实施例1～3，从TEM照片可看出几乎不出现硅凝集现象。
在比较例1和比较例2的情况下，由于省略热处理工序，几乎未发生硅凝集现象。如图14及图17所示，硅膜的厚度几乎恒定。
如图19及图20所示，在比较例3及比较例4的情况下，研究TEM照片，可以看出出现了厚度不均匀的硅凝集现象。若与实施例2比较，可以确认这是由于省略氨(NH3)的预处理而出现的现象。
图21是表示根据各处理的表面粗糙度(RMS)的图表的图。图21分别表示未进行预处理和热处理(anneal)的情况(Ref)，用磷烷PH3进行预处理后未热处理的情况(PH3)，用磷烷进行预处理后热处理的情况(PH3+Anneal)，用乙硼烷B2H6进行预处理后未热处理的情况(B2H6)，用乙硼烷B2H6进行预处理后热处理的情况(B2H6+Anneal)下的AFM粗糙度(Roughness)分析结果。分别在Under layer thermal oxide条件下，按硅蒸镀条件，通过有无热处理来进行了硅表面粗糙度评价。
如图21所示，可以确认未进行热处理的情况下的粗糙度几乎类似。但是，进行热处理的情况下，可以看到在用稳定的磷烷进行了预处理的情况下粗糙度从0.329到9.805增加大约30倍左右。反之，用乙硼烷进行预处理的情况下，可以确认热处理之后粗糙度也不增加。这是因为用乙硼烷进行预处理时，热处理之前的非晶硅膜的硅元素和乙硼烷的硼元素结合来防止热处理工序中的硅迁移。硅和乙硼烷的硼元素结合的情况下，防止硅之间的结合来防止硅凝集。
图22是热处理前用乙硼烷(B2H6)进行了预处理的硅膜的TEM的照片。图23是热处理后用乙硼烷(B2H6)进行了预处理的硅膜的TEM照片。如比较图22和图23，可以看到用乙硼烷经过预处理工序的情况下，即使进行热处理，厚度也几乎恒定，不发生硅凝集现象。
前面以本发明的特定的实施例为中心进行了说明，但是很清楚在不脱离本发明的权利要求记载的技术思想的范围内可以进行多样的修改及变形。因此，本发明的详细说明及所附图不是限定本发明的技术思想，而应解释为仅仅是例示。
工业实用性
本发明可以应用于多种方式的半导体制造设备及制造方法中。

Claims (8)

1.一种多晶硅膜的形成方法，其特征在于，在对蒸镀在基底上的非晶硅膜进行热处理来形成多晶硅膜的工序中，在上述热处理前包括如下的预处理工序：供给包含有N、C、O、B中任一种以上元素的预处理气体而使上述预处理气体热分解，从而使上述N、C、O、B中任一种与上述非晶硅膜所含的硅原子结合。
2.如权利要求1所述的多晶硅膜的形成方法，其特征在于，
上述预处理气体是N2O、C2H4、NH3、B2H6中任一种以上。
3.如权利要求1所述的多晶硅膜的形成方法，其特征在于，
上述预处理气体以4000～6000SCCM被供给50～70秒。
4.如权利要求1所述的多晶硅膜的形成方法，其特征在于，
上述预处理在500～750℃、20～300torr下进行。
5.如权利要求1所述的多晶硅膜的形成方法，其特征在于，
上述硅膜的形成方法中上述非晶硅膜的厚度为以下。
6.如权利要求1所述的多晶硅膜的形成方法，其特征在于，
上述热处理在800～950℃下进行10～100秒。
7.如权利要求1所述的多晶硅膜的形成方法，其特征在于，
上述热处理在1～10Torr下进行。
8.如权利要求1～7中的任一项所述的多晶硅膜的形成方法，其特征在于，
上述硅膜形成方法被利用于半导体装置的成膜工艺。
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