JP2002134497A

JP2002134497A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2002134497A
Application number: JP2000323216A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tanaka; 泰明田中
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2000-10-23
Publication date: 2002-05-10

Abstract

(57)【要約】【課題】成膜の初期段階におけるホウ素やリンのよう
な不純物の偏析を抑制して、膜厚方向において均一な組
成の膜質を有するＢＰＳＧ膜などを成膜することができ
る半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】成膜ガスを混合するガス混合器１７と、
成膜室１１Ａに混合ガスを供給するシャワーヘッド部１
４との間に、ガスの流路を切り換え可能な第１の三方バ
ルブ１８が設けられる。第１の三方バルブ１８には、第
２の三方バルブ２０などを介して真空ポンプ２３が連結
される。ＢＰＳＧ膜の成膜を行う場合、その成膜を開始
しようとする時から所定時間が経過するまで、ガス混合
器１７からの混合ガスは、第１の三方バルブ１８および
第２の三方バルブ２０を通して真空ポンプ２３に排気さ
れる。その後、第１の三方バルブ１８を切り換えること
により、混合ガスがシャワーヘッド部１４を通して成膜
室１１Ａに導入される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、ＢＰＳＧ
膜のような、不純物を含有した酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ₂）膜を用いた半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、半導体基板上に酸化シリコン膜を
はじめとする複数の種類の膜を形成する工程は、半導体
装置の製造工程のなかで主要なものの１つとなってい
る。特に、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）
や混載ロジックＤＲＡＭなどの半導体装置の製造工程
は、トランジスタ、キャパシタおよび多層配線などをそ
れぞれ作製する工程からなっている。このような工程の
なかで、層間絶縁膜やキャパシタの作製工程では、ＢＰ
ＳＧ（Boronphoshosilicate Glass ；ホウ素（Ｂ）およ
びリン（Ｐ）を含有した酸化シリコン）膜の成膜が行わ
れる場合がある。これは、このＢＰＳＧ膜が、良好な隙
間充填性を有するとともに、そのドライエッチングやウ
エットエッチング加工時における下地膜となる別の種類
の膜に対して高いエッチング選択比を有するからであ
る。

【０００３】このようなＢＰＳＧ膜を成膜する方法とし
ては、ＡＰＣＶＤ（Atmospheric Pressure Chemical Va
por Deposition ；常圧化学的気相成長）、ＳＡＣＶＤ
（SubAtmospheric CVD；準常圧ＣＶＤ）またはＰＥＣＶ
Ｄ（Plasma Enhanced CVD ；プラズマ増強型ＣＶＤ）な
どが用いられている。多くの場合、このＢＰＳＧ膜は成
膜後の単体ではその膜質が疎であるため、ウエットエッ
チングの際のエッチングレートが大きくなる。そのた
め、一般的には、ＢＰＳＧ膜の成膜後に７００°Ｃ〜９
００°Ｃの範囲内のアニール処理を行うことにより、そ
の膜質を緻密化させている。

【０００４】ここで、このＢＰＳＧ膜を用いた半導体装
置の一例として、シリンダ状のキャパシタの作製方法に
ついて図７（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。なお、
後述するように、ＢＰＳＧ膜はシリンダコア層として用
いられる。まず、図７（Ａ）に示したように、シリコン
基板のような半導体基板１０１に、フィールド酸化膜１
０２および層間絶縁膜１０３を形成した後、後述のシリ
ンダコア層１０６をエッチング除去する際にエッチング
ストッパとして機能する、例えば１００ｎｍの厚さの窒
化シリコン膜１０４を形成する。次に、窒化シリコン膜
１０４および層間絶縁膜１０３の異方性エッチングによ
り、半導体基板１０１に到達するコンタクトホールを形
成した後、このコンタクトホールの内部に、例えばリン
を含む非晶質シリコンまたは多結晶（ポリ）シリコンか
らなる導電膜を形成し、この導電膜に対してＣＭＰ（Ch
emical Mechanical Polishing ；化学機械研磨）または
等方性エッチングを行うことにより、半導体基板１０１
に接するコンタクト電極１０５を形成する。その後、窒
化シリコン膜１０４の表面およびコンタクト電極１０５
の上部に、シリンダコア層１０６を上述したＢＰＳＧ膜
として約１０００ｎｍ程度の厚さで形成した後、エッチ
ングによりシリンダコア層１０６をパターニングして、
図７（Ｂ）に示したように、コンタクト電極１０５の上
部を露出させる。この状態で、図７（Ｃ）に示したよう
に、シリンダコア層１０６の上面だけでなく、そのパタ
ーニング部分１０６Ａの内壁面をも覆うように、不純物
（例えばリン）を含む非晶質シリコン膜１０７を形成す
る。シリンダコア層１０６の上面に形成された非晶質シ
リコン膜１０７をＣＭＰにより除去し、パターニング部
分１０６Ａの内壁面に形成された非晶質シリコン膜１０
７のみを残す。さらに、希フッ酸を含むエッチング溶液
を用いたウエットエッチングにより、シリンダコア層１
０６を選択的に除去し、キャパシタの下部電極を形成す
る。以下、この下部電極の表面に半球状の微結晶を形成
した後、誘電体膜および上部電極を順に形成することに
より、キャパシタを作製する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的に、
上述したキャパシタの作製方法では、非晶質シリコン層
１０７を形成する直前に、フッ酸を含有する洗浄溶液を
用いたウエットエッチングにより半導体基板１０１の洗
浄処理を行っている。そのため、シリンダコア層１０６
の初期成膜層（窒化シリコン膜１０４側の層）としてリ
ンやホウ素が偏析してその濃度が高くなっている偏析層
が形成されていると、その偏析層に対するウエットエッ
チングの速度がシリンダコア層１０６の他の部分よりも
急激に速くなり、図８（Ａ）に示すように、シリンダコ
ア層１０６に対するオーバーエッチングによりオーバー
エッチング部１０８が形成される。この状態で、非晶質
シリコン層１０７を形成すると、オーバーエッチング部
１０８にも非晶質シリコン膜１０７が形成されてしま
う。特に、オーバーエッチングの速度が速くてオーバー
エッチング部１０８が大きくなると、図８（Ｂ）に示す
ように、隣接する下部電極間で非晶質シリコン膜１０７
が接触する部分１０９が生じて短絡が起こるので、半導
体装置の信頼性を著しく低下させてしまうという問題が
あった。

【０００６】なお、従来、ホウ素やリンを含有した酸化
シリコン膜を複数回にわたって積層させる場合に、その
界面でのホウ素やリンの偏析を抑制する方法として、複
数の成膜ガスのチャンバ内への供給を遮断する前に、反
応助剤であるオゾン（Ｏ₃）の供給を遮断するものが提
案されている（特開平１１−１０２９０２号公報）。し
かし、この方法をそのままＢＰＳＧ膜の成膜方法に適用
すると、Ｏ₃の欠如により成膜されたＢＰＳＧ膜の膜質
が疎となり、フッ酸含有溶液による更なるオーバーエッ
チングの増大を招くという問題がある。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、成膜の初期段階におけるホウ素やリ
ンのような不純物の偏析を抑制して、膜厚方向において
均一な組成の膜質を有するＢＰＳＧ膜などを成膜するこ
とができる半導体装置の製造方法を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
の製造方法は、複数種類の成膜ガスが供給される成膜室
において少なくとも１種類の不純物を含む膜の成膜を行
うものであって、成膜を開始しようとする時から所定時
間が経過するまで、成膜ガスを成膜室に供給させること
なく排気する工程を有している。

【０００９】本発明の半導体装置の製造方法では、成膜
を開始しようとする時から所定時間が経過するまで、複
数種類の成膜ガスが成膜室に供給させることなく排気さ
れる。そして、所定時間が経過した後、成膜ガスを成膜
室に供給することにより、少なくとも１種類の不純物を
含む膜の成膜が行われる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１１】図１は、本発明の一実施の形態に係る半導
体装置の製造方法に用いられる半導体製造装置１０の概
略構成を表したものである。この半導体製造装置１０
は、例えばＳＡＣＶＤ装置である。

【００１２】半導体製造装置１０は、ＢＰＳＧ膜を成膜
を行うためのチャンバ１１を備えている。このチャンバ
１１の成膜室１１Ａ内には、基板ホルダ１２が設けられ
ている。この基板ホルダ１２に、例えばシリコン基板の
ような半導体基板（ウェハ）１３がシャワーヘッド部１
４に対向するよう、被成膜面を上に向けた状態で保持さ
れるようになっている。シャワーヘッド部１４は、例え
ばチャンバ１１の側面において、支持部材１５により支
持されている。このシャワーヘッド部１４には、第１の
三方バルブ１８が設けられた混合ガス導入配管１６を介
して、ガス混合部１７が連結されている。第１の三方バ
ルブ１８には、混合ガス排気配管１９を介して第２の三
方バルブ２０が連結されている。この第２の三方バルブ
２０はチャンバ１１の外部に設けられている。第２の三
方バルブ２０には、チャンバ１１の外部に設けられてい
る、圧力調整バルブ２１と、排気配管２２を介して真空
ポンプ２３とがぞれぞれ連結されている。排気配管２２
には、成膜室１１Ａから排出されたガスにより真空ポン
プ２３内の配管が閉塞するのを抑制するために、パージ
ガス（例えば窒素（Ｎ₂）ガス）を導入するためのパー
ジガス導入配管２４が連結されている。このパージガス
導入配管２４には、排気配管２２内の圧力を測定するた
めの圧力計２５が連結されている。

【００１３】ガス混合部１７には、遮断バルブ２６が設
けられ、酸素（Ｏ₂）ガスまたはオゾン（Ｏ₃）ガスな
どの酸素（Ｏ）を含む反応助剤ガスを例えば約５×１０
^-5ｍ ³／ｓ〜１．６７×１０^-4ｍ³／ｓ（３ｓｌｍ〜１
０ｓｌｍ）の範囲内の流量で導入するための導入配管２
７と、遮断バルブ３１，３２，３３がそれぞれ設けら
れ、後述する異なる種類の成膜ガスを導入するための成
膜ガス導入配管３４，３５，３６とが連結されている。
成膜ガス導入配管３４〜３６には、気化器３７，３８，
３９、液体流量コントローラ４０，４１，４２、原料液
体タンク４３，４４，４５および不活性ガス導入配管４
６，４７，４８が、それぞれ順に連結され、これらによ
り３つの成膜ガス供給部５０，５１，５２が構成されて
いる。成膜ガス供給部５０，５１，５２はチャンバ１１
の外部に設けられている。気化器３７〜３９からシャワ
ーヘッド部１４までの間の成膜ガス導入配管３４〜３６
および混合ガス導入配管１６と、第１の三方バルブ１８
と第２の三方バルブ２０との間の混合ガス排気配管１９
との周囲には、結露防止のため、成膜ガスや混合ガスを
例えば約１２０°Ｃに加温するためのヒータ４９が設け
られている。

【００１４】基板ホルダ１２は、半導体基板１３の搬入
および搬出の際に上下方向（垂直方向）に変位可能に構
成されているとともに、ヒータ（図示せず）より半導体
基板１３を例えば４５０°Ｃ〜５２０°Ｃの範囲内に加
熱できるようになっている。シャワーヘッド部１４は、
所定の温度に調整されているとともに、ガス混合部１７
から供給された混合ガス（複数種類の成膜ガス）を半導
体基板１３の被成膜面に向けて均一に噴出するようにな
っている。

【００１５】ガス混合部１７は、成膜ガス導入配管３４
〜３６からの成膜ガスおよび導入配管２７からの反応助
剤ガスを混合し、その混合ガスを混合ガス導入配管１６
に供給するようになっている。ここで、成膜ガス導入配
管３４には、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン：ＳｉＯ
Ｃ₂Ｈ₅）₄）ガス，ＴＭＳ（テトラメトキシシラン：
ＳｉＯＣＨ₃）₄）ガスまたはモノシラン（ＳｉＨ₄）
ガスなどのシリコン（Ｓｉ）を含む成膜ガスが液体状態
では例えば１×１０^-4ｋｇ／ｍｉｎ〜７×１０ ^-4ｋｇ／
ｍｉｎ（１００ｍｇ／ｍｉｎ〜７００ｍｇ／ｍｉｎ）の
範囲内の流量で導入される。成膜ガス導入配管３５に
は、ＴＭＢ（トリメチルボレート：Ｂ（ＯＣＨ₃）₃）
ガスまたはＴＥＢ（トリエチルボレート：Ｂ（ＯＣ₂Ｈ
₅）₃）ガスなどのホウ素（Ｂ）を含む成膜ガスが液体
状態では１×１０^-5ｋｇ／ｍｉｎ〜７×１０^-5ｋｇ／ｍ
ｉｎ（１０ｍｇ／ｍｉｎ〜７０ｍｇ／ｍｉｎ）の範囲内
の流量で導入される。成膜ガス導入配管３６には、ＴＭ
Ｐ（トリメチルフォスファイト：Ｐ（ＯＣＨ₃）₃）ガ
ス，ＴＭＰＯ（トリメチルフォスフェイト：ＰＯ（ＯＣ
ＣＨ₃）₃）ガスまたはＴＥＰＯ（トリエチルフォスフ
ェイト：ＰＯ（ＯＣ₂Ｈ₅）₃））ガスなどのリン
（Ｐ）を含む成膜ガスが液体状態では５×１０^-5ｋｇ／
ｍｉｎ〜２×１０^-4ｋｇ／ｍｉｎ（５０ｍｇ／ｍｉｎ〜
２００ｍｇ／ｍｉｎ）の範囲内の流量で導入される。

【００１６】第１の三方バルブ１８は、必要に応じて、
混合ガス導入配管１６に供給された混合ガスが、シャワ
ーヘッド部１４、または第２の三方バルブ２０を通して
真空ポンプ２３のいずれか一方に流れるように、混合ガ
スの流路を切り換えることが可能であるとともに、シャ
ワーヘッド部１４および第２の三方バルブ２０のいずれ
にも混合ガスが流れないようにすることが可能に構成さ
れている。第２の三方バルブ２０は、必要に応じて、成
膜室１１Ａから排出されたガスまたは混合ガス排気配管
１９からの混合ガスを真空ポンプ２２に向けて排気する
ようになっている。圧力調整バルブ２１は、弁の開放の
程度を連続的に変えることが可能な機構（図示せず）を
含み、この機構により成膜室１１Ａ内の圧力を任意の値
（成膜時には、例えば約２６６６４Ｐａ（２００Ｔｏｒ
ｒ）〜９３３２５Ｐａ（７００Ｔｏｒｒ）の範囲内の圧
力）に調整可能になっている。

【００１７】成膜ガス供給部５０において、原料液体タ
ンク４３は、成膜ガスの原料である原料液体として、例
えば、ＴＥＯＳ，ＴＭＳまたはモノシランなどのシリコ
ンを含む材料からなる液体を蓄えるようになっている。
不活性ガス導入配管４６は、原料液体タンク４３に蓄え
られている原料液体を加圧するための不活性ガス（例え
ば窒素（Ｎ₂）またはヘリウム（Ｈｅ））を導入するた
めのものである。液体流量コントローラ４０は、例えば
プログラム可能なシーケンサを含み、不活性ガスにより
加圧された、原料液体タンク４３からの原料液体を所定
の流量で気化器３７に供給するとともに、このシーケン
サにより、所定の流量の原料液体が気化器３７において
十分に気化する程度の熱量のフィードバック制御を行う
ようになっている。気化器３７は、液体流量コントロー
ラ４０から供給された原料液体を気化し、気化したガス
（成膜ガス）を、遮断バルブ３１を通して成膜ガス導入
配管３４に導入するようになっている。また、成膜ガス
供給部５１，５２においても、成膜ガス供給部５０とほ
ぼ同様に構成されているが、原料液体タンク４４，４５
に蓄えられる原料液体の種類が原料液体タンク４３の場
合と異なっている。すなわち、原料液体タンク４４は、
原料液体として、ＴＭＢまたはＴＥＢなどのホウ素を含
む材料からなる液体を、原料液体タンク４５は、ＴＭ
Ｐ，ＴＭＰＯまたはＴＥＰＯなどのリンを含む材料から
なる液体を、それぞれ蓄えるようになっている。

【００１８】次に、以上のように構成された半導体製造
装置１０の作用について説明する。

【００１９】まず、ＢＰＳＧ膜を成膜するための半導体
基板１３が、搬送機構（図示せず）により、チャンバ１
１の成膜室１１Ａ内の基板ホルダ１２に設置される。次
に、減圧のために成膜室１１Ａの内部が真空ポンプ２３
により一旦排気された後、成膜室１１Ａ内の圧力が、成
膜圧力、例えば約２６６６４Ｐａ（２００Ｔｏｒｒ）と
なるように、圧力調整バルブ２１による圧力調整が行わ
れるとともに、基板ホルダ１２により半導体基板１３が
例えば約４８０°Ｃの基板温度に加熱される。

【００２０】この状態で、成膜を開始するために、成膜
ガス供給部５０〜５２からの成膜ガス（例えばＴＥＯＳ
ガス，ＴＥＢガスおよびＴＥＰＯガス）がそれぞれ成膜
ガス導入配管３４〜３６を介してガス混合部１７に供給
される。同時に、反応助剤ガス（例えばオゾンを約１２
ｍｏｌ％含むＯ₂ガス）が導入配管２７を介してガス混
合部１７に供給される。ここで、ＴＥＯＳガス，ＴＥＢ
ガス，ＴＥＰＯガスおよびＯ₂ガスの流量は、例えば、
それぞれ約６×１０^-4ｋｇ／ｍｉｎ（６００ｍｇ／ｍｉ
ｎ）、１×１０^-4ｋｇ／ｍｉｎ〜２×１０^-4ｋｇ／ｍｉ
ｎ（１００ｍｇ／ｍｉｎ〜２００ｍｇ／ｍｉｎ）の範囲
内、５×１０^-5ｋｇ／ｍｉｎ〜７×１０ ^-5ｋｇ／ｍｉｎ
（５０ｍｇ／ｍｉｎ〜７０ｍｇ／ｍｉｎ）の範囲内およ
び６．６８×１０^-5ｍ³／ｓ〜１．０×１０^-4ｍ³／ｓ
（４ｓｌｍ〜６ｓｌｍ）の範囲内とする。

【００２１】ガス混合部１７では、これらの成膜ガスを
混合することにより混合ガスが得られる。この混合ガス
は、混合ガス導入配管１６に導入される。ここで、成膜
を開始しようとする時（例えば、混合ガス導入配管１６
に対して混合ガスの導入を開始した時）から、各成膜ガ
スの流量が半導体製造装置１０のレシピに設定されてい
る流量に到達するまでの所定時間（例えば約５秒〜１０
秒の範囲内）が経過するまでの間においては、第１の三
方バルブ１８および第２の三方バルブ２０による混合ガ
スの流路の変更により、混合ガスがシャワーヘッド部１
４に供給されることなく、第１の三方バルブ１８、混合
ガス排気配管１９、第２の三方バルブ２０および排気配
管２２を通して真空ポンプ２３に向けて排気される。そ
の後、各成膜ガスの流量が設定された流量に到達し、そ
の設定流量に対して実質的に安定した時点で、第１の三
方バルブ１８および第２の三方バルブ２０による混合ガ
スの流路を変更することにより、混合ガス導入配管１６
からの混合ガスは、第１の三方バルブ１８およびシャワ
ーヘッド部１４を通して成膜室１１Ａに導入される。そ
して、成膜室１１Ａ内の半導体基板１３上に、例えば約
１０００ｎｍの厚さのＢＰＳＧ膜が準常圧ＣＶＤにより
成膜される。

【００２２】ＢＰＳＧ膜の成膜中に成膜室１１Ａに導入
された成膜ガスは、圧力調整バルブ２１、第２の三方バ
ルブ２０および排気配管２２を通して真空ポンプ２３に
向けて排気される。所定の成膜時間が経過したら、ま
ず、ＴＥＢガスおよびＴＥＰＯガスの供給が遮断バルブ
３２，３３により停止される。この停止から例えば約３
秒後に、Ｏ₂ガスおよびＴＥＯＳガスの供給が遮断バル
ブ２６，３１により停止される。なお、これらの遮断バ
ルブ２６，３１〜３３の開閉によるガス供給のタイミン
グ制御は、例えば、遅延回路、コンピュータプログラム
を実行するマイクロプロセッサ、またはシーケンサを設
けることにより、容易に行うことができる。

【００２３】（成膜中の成膜ガスの流量の変化）ところ
で、ＢＰＳＧ膜のリンやホウ素の偏析は、例えば、成膜
ガスが常温で液体状態である原料を、気化器により気化
して得られる成膜ガスを用いて成膜を行う成膜装置では
避けることができないとされている。これは、液体流量
コントローラや気化器ではその構造上から微量の原料液
体が漏れて配管内に溜まってしまうので、この状態で成
膜を開始すると、この溜まっていた原料液体とともに、
新たに供給された原料液体が気化器によって気化され、
その結果、成膜初期の段階では成膜ガスの量が多くなっ
てしまうからである。そのため、例えば、気化器とガス
混合器との間に遮断バルブを設けたとしても、ＢＰＳＧ
膜の下地界面付近部分においてホウ素やリンの偏析を避
けることができないだけでなく、遮断バルブ内のデッド
スペースに原料液体が溜まり、偏析の程度がさらに強く
なってしまう可能性がある。

【００２４】そこで、ＢＰＳＧ膜を成膜するために用い
られる成膜ガスであるＴＥＢガスおよびＴＥＰＯガスに
ついてその流量の変化を調べるために、例えば液体流量
コントローラ４１，４２に設けられた出力端子の信号
（電圧）を検出することによりその流量を測定した。図
２は、その測定結果を表したものである。縦軸はガスの
流量（×１０^-4ｋｇ（×１００ｍｇ））を、横軸は任意
の経過時間を、それぞれ表している。ガスの導入開始の
初期段階（導入開始後、数秒間）においては、ＴＥＢガ
スおよびＴＥＰＯガスの流量がそれぞれ設定された流量
（図２において、ほぼ平坦になっている流量）よりも大
きくなるようなオーバーシュートの現象が生じているこ
とがわかる。この現象は、上述のように、例えば液体流
量コントローラ４１，４２と気化器３８，３９との間の
配管内に残留していた原料液体が、ガスの導入開始の初
期段階において、新たに供給された原料液体とともに気
化され、その成膜ガスが成膜ガス導入配管３５，３６に
導入されたためと考えられる。この結果、上述のよう
に、成膜ガスの導入を開始した時から所定時間が経過す
るまでは、その混合ガスを成膜室１１Ａに導入しないよ
うに真空ポンプ２３により排気し、その後に混合ガスを
成膜室１１Ａに導入すれば、ＢＰＳＧ膜におけるリンや
ホウ素の偏析を抑制することが可能となる。

【００２５】（成膜したＢＰＳＧ膜のＳＩＭＳ法による
分析）次に、実際に、本発明および従来の成膜方法によ
り基板に対してＢＰＳＧ膜の成膜を４００ｎｍの厚さで
それぞれ行い、その膜質をＳＩＭＳ（Secondary IonMas
s Spectroscopy ；２次イオン質量分析）法により分析
した。ここで、本発明による成膜方法とは、成膜ガスの
流量が設定流量に対して安定した後、成膜ガス（混合ガ
ス）をシャワーヘッド部１４を介して成膜室１１Ａに導
入するものをいい、従来の成膜方法とは、成膜ガスを成
膜室に導入しない期間（成膜ガスが設定流量に対して安
定するまでの期間）を設けることなく、成膜当初から混
合ガスを成膜室に導入するものをいう。図３（Ａ），
（Ｂ）はその分析結果を表したものである。なお、図３
（Ａ）は従来の成膜方法により成膜されたＢＰＳＧ膜の
場合、図３（Ｂ）は本発明による成膜方法により成膜さ
れたＢＰＳＧ膜の場合を表している。縦軸はホウ素およ
びリンの原子数（濃度）（atoms ／ｃｍ³）を、横軸は
ＢＰＳＧ膜の表面（基板と反対側の表面）からの膜厚方
向における深さ（ｎｍ）を、それぞれ表している。図３
（Ａ）から、表面から約４００ｎｍの深さ領域でホウ素
およびリンの濃度が急激に増加しており、この領域にホ
ウ素およびリンが偏析していることがわかる。一方、図
３（Ｂ）では、ホウ素およびリンの濃度の変化はほとん
ど見られず、膜厚方向において均一な膜質のＢＰＳＧ膜
が成膜されていることがわかる。

【００２６】以上のように、本実施の形態では、ＢＰＳ
Ｇ膜を成膜する際に用いられる成膜ガスの導入開始から
所定時間が経過するまでの、上記オーバーシュート現象
が起きる成膜初期の段階においては、ガス混合部１７か
らの混合ガスを、シャワーヘッド部１４に供給すること
なく、真空ポンプ２３により第１の三方バルブ１８およ
び第２の三方バルブ２０を通して排気し、その後、成膜
ガスの流量が設定流量に対して安定した時点で、混合ガ
スをシャワーヘッド部１４を介して成膜室１１Ａに導入
させるようにしている。従って、初期成膜層においてホ
ウ素やリンの偏析がなく、膜厚方向において均一な膜質
を有するＢＰＳＧ膜を成膜することができる。

【００２７】（ＢＰＳＧ膜の適用例１）次に、上記のよ
うにして成膜されるＢＰＳＧ膜を、例えばシリンダ状の
キャパシタの下部電極を形成するためのシリンダコア層
に適用した場合について説明する。図４は本発明による
成膜方法により成膜したＢＰＳＧ膜および従来の成膜方
法により成膜したＢＰＳＧ膜をシリンダコア層としてそ
れぞれ用いて作製した場合のシリンダ状のキャパシタの
断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope；走査型
電子顕微鏡）により撮影した写真を模式化したものであ
る。図４（Ａ）は従来の成膜方法により成膜したＢＰＳ
Ｇ膜を用いた場合、図４（Ｂ）は本発明による成膜方法
により成膜したＢＰＳＧ膜を用いた場合をそれぞれ表し
ている。なお、図４（Ａ），（Ｂ）は、窒化シリコン膜
６１が形成されているシリコン基板６０上に設けられ
た、例えばリンを含む非晶質シリコンからなる下部電極
６２に半球状の微結晶６３が形成されている状態を表し
ている。図４（Ａ）から、下部電極６３の表面以外の、
矢印が示す下地膜の窒化シリコン膜６１の表面付近の領
域にも、半球状の微結晶６４が形成されていることがわ
かる。これは、ホウ素やリンが偏析したＢＰＳＧ膜の初
期成膜層が図８（Ａ）のごとくエッチングされたため、
その後の非晶質シリコン形成工程で矢印が示す領域にも
下部電極６３を構成する非晶質シリコン膜が形成されて
いるためと推察される。一方、図４（Ｂ）では、下部電
極６３の表面以外に、半球状の微結晶が形成されている
形跡は見あたらないことから、ＢＰＳＧ膜の初期成膜層
においてホウ素やリンの偏析が抑制され、均一な膜質を
有するＢＰＳＧ膜が得られていると考えられる。従っ
て、ＢＰＳＧ膜を本発明による成膜方法により成膜した
場合には、このＢＰＳＧ膜に対してエッチングを行って
も、その後の工程で形成される下部電極間で短絡は起こ
らないので、半導体装置の信頼性を向上させることがで
きる。

【００２８】（ＢＰＳＧ膜の適用例２）上記の実施の形
態では、ＢＰＳＧ膜を、例えばシリンダ状のキャパシタ
の下部電極を形成するためのシリンダコア層に適用した
場合について説明したが、本発明は、これに限られず、
例えば半導体トランジスタ部を作製する場合にも適用す
ることが可能である。

【００２９】図５（Ａ）〜（Ｃ）は、ＢＰＳＧ膜および
コンタクト電極を形成した半導体トランジスタ部を作製
する方法を説明するためのものである。なお、図５
（Ａ）に示したように、半導体トランジスタ部は、シリ
コン基板のような半導体基板７１を有している。この半
導体基板７１の全面にはゲート絶縁膜７２が形成され、
このゲート絶縁膜７２の上に、多結晶シリコン層７３，
７４、タングステンシリサイド層７５、オフセット絶縁
膜７７が順に積層されている。このような積層体の両側
には側壁（サイドウォール）７８が形成され、オフセッ
ト絶縁膜７７および側壁７８の上面には、窒化シリコン
（ＳｉＮ）膜７９が形成されている。なお、半導体基板
７１には、埋込酸化膜７１Ａおよび拡散領域７１Ｂが形
成されている。

【００３０】このように構成されている半導体トランジ
スタ部に対して、図５（Ｂ）に示したように、本発明に
よる成膜方法により２つのＢＰＳＧ膜８０Ａ，８０Ｂを
順に成膜する。ＢＰＳＧ膜８０Ａの成膜条件としては、
例えば、ＴＥＯＳガス、ＴＥＢガス、ＴＥＰＯガスおよ
びＯ₂ガスを用い、その流量は、それぞれ２×１０^-4ｋ
ｇ／ｍｉｎ〜４×１０^-4ｋｇ／ｍｉｎ（２００ｍｇ／ｍ
ｉｎ〜４００ｍｇ／ｍｉｎ）の範囲内、１×１０^-5ｋｇ
／ｍｉｎ〜５×１０^-5ｋｇ／ｍｉｎ（１０ｍｇ／ｍｉｎ
〜５０ｍｇ／ｍｉｎ）の範囲内、５×１０^-5ｋｇ／ｍｉ
ｎ〜１×１０^-4ｋｇ／ｍｉｎ（５０ｍｇ／ｍｉｎ〜１０
０ｍｇ／ｍｉｎ）の範囲内および約５×１０^-5ｍ³／ｓ
〜１．６７×１０^-4ｍ³／ｓの範囲内とする。また、成
膜圧力は約９３３２５Ｐａ（７００Ｔｏｒｒ）とする。
因みに、ＴＥＯＳガスの流量を３×１０^-4ｋｇ／ｍｉｎ
（３００ｍｇ／ｍｉｎ）、ＴＥＢガスの流量を９．２×
１０^-5ｋｇ／ｍｉｎ（９２ｍｇ／ｍｉｎ）、ＴＥＰＯガ
スの流量を２．４×１０^-5ｋｇ／ｍｉｎ（２４ｍｇ／ｍ
ｉｎ、）Ｏ₂ガス（Ｏ₃濃度が約１３ｍｏｌ％）の流量
を６．６８×１０^-5ｍ³／ｓとして、約１３５ｎｍの厚
さのＢＰＳＧ膜８０Ａの成膜を行った場合、その膜中の
ホウ素濃度およびリン濃度はそれぞれ５．５±０．２ｗ
ｔ％（重量％）および２．８±０．２ｗｔ％であった。
一方、ＢＰＳＧ膜８０Ｂの成膜条件としては、例えば、
ＴＥＯＳ、ＴＥＢ、ＴＥＰＯおよびＯ ₂ガスを用い、そ
の流量は、それぞれ５×１０^-4ｋｇ／ｍｉｎ〜７×１０
^-4ｋｇ／ｍｉｎ（５００ｍｇ／ｍｉｎ〜７００ｍｇ／ｍ
ｉｎ）の範囲内、５×１０^-5ｋｇ／ｍｉｎ〜１×１０^-4
ｋｇ／ｍｉｎの範囲内、８×１０^-5ｋｇ／ｍｉｎ〜１．
８×１０^-4ｋｇ／ｍｉｎ（８０ｍｇ／ｍｉｎ〜１８０ｍ
ｇ／ｍｉｎ）の範囲内および５×１０^-5ｍ³／ｓ〜１．
６７×１０^-4ｍ³／ｓの範囲内とする。また、成膜圧力
は約２６６６４Ｐａ（２００Ｔｏｒｒ）とする。因み
に、ＴＥＯＳガスの流量を６×１０^-4ｋｇ／ｍｉｎ、Ｔ
ＥＢガスの流量を１．６８×１０^-4ｋｇ／ｍｉｎ（１６
８ｍｇ／ｍｉｎ）、ＴＥＰＯガスの流量を４．８×１０
^-5ｋｇ／ｍｉｎ（４８ｍｇ／ｍｉｎ）、Ｏ₂ガス（Ｏ₃
濃度が約１３ｍｏｌ％）の流量を６．６８×１０^-5ｍ³
／ｓとして、約９３５ｎｍの厚さのＢＰＳＧ膜８０Ｂの
成膜を行った場合、その膜中のホウ素濃度およびリン濃
度はそれぞれ４．５±０．２ｗｔ％および４．０±０．
２ｗｔ％であった。

【００３１】半導体基板７１の全面にＢＰＳＧ膜８０
Ａ，８０Ｂを成膜した後、所定のパターンを有するレジ
スト（図示せず）をマスクとして用いて、ＢＰＳＧ膜８
０Ａ，８０Ｂおよびゲート絶縁膜７２に対して異方性エ
ッチングを行うことにより、半導体基板７１に形成され
た拡散領域７１Ｂに到達するコンタクトホールおよびオ
フセット絶縁膜７７に到達するコンタクトホールをそれ
ぞれ形成する。これらのコンタクトホールを含む全面
に、例えばリンを含む非晶質シリコンまたは多結晶シリ
コンからなる導電膜を形成した後、ＣＭＰまたは等方性
エッチングを行うことにより、半導体基板１１の拡散領
域７１Ｂに接するコンタクト電極８１Ａと、コンタクト
電極８１Ｂとを形成する。これにより、半導体トランジ
スタ部が作製される。

【００３２】ところで、特にＢＰＳＧ膜８０Ａを従来の
成膜方法で成膜した場合、ＢＰＳＧ膜８０Ａの初期成膜
層にホウ素やリンが偏析することは前述の通りである。
この状態で、ＢＰＳＧ膜８０Ａに対して上述したような
異方性エッチングを行うと、サイドエッチングが生じ、
その部分にも後の工程でコンタクト電極８１Ａが形成さ
れてしまう。図５（Ｃ）はこのような場合における図５
（Ｂ）のVIＢ−VIＢ線に沿った断面図を表したものであ
る。図５（Ｃ）に示したように、隣接するコンタクト電
極８１Ａ間で接触する部分８２が生じて短絡が起こる場
合があり、この場合には、半導体装置の信頼性が低下す
る。しかし、ＢＰＳＧ膜８０Ａを本発明による成膜方法
により成膜した場合には、初期成膜層にホウ素やリンの
偏析はない。そして、この状態で、ＢＰＳＧ膜８０Ａに
対して上述したような異方性エッチングを行っても、隣
接するコンタクト電極８１Ａ間で接触する部分８２は生
じないので、半導体装置の信頼性を向上させることがで
きる。

【００３３】また、図５（Ｃ）に示したようにＢＰＳＧ
膜８０Ａの初期成膜層にホウ素やリンの偏析があったと
しても、コンタクト電極８１Ａ間に短絡が起こらない場
合もある。しかし、例えば後の工程における熱処理によ
り、ホウ素やリンなどが核酸領域７１Ｂに拡散してしま
うことが考えられる。本来、拡散領域７１Ｂに対する不
純物のドーパント量や元素の種類は、設計値に対して半
導体トランジスタの能力を最適化するように調整されて
いる。従って、この熱処理により拡散領域７１Ｂにホウ
素やリンが拡散すると、ドーパント量や種類に変化が生
じることにより、半導体トランジスタのしきい値電圧
（Ｖth）が変化し、リーク電流やドレイン電流が増加
し、または信頼性が低下する。そのため、半導体トラン
ジスタは、設定値の能力を発揮できなくなり、半導体装
置全体の能力を著しく低下させる原因となる。

【００３４】そこで、従来の成膜方法により成膜された
ＢＰＳＧ膜を用いた半導体トランジスタおよび本発明に
よる成膜方法により成膜されたＢＰＳＧ膜を用いた半導
体トランジスタの信頼性を調べるために、それぞれ複数
個の半導体トランジスタを作製して各ゲート絶縁膜が絶
縁破壊を生じる時の総電荷量を測定した。図６はその測
定結果を表したものである。図６において、縦軸は半導
体トランジスタのゲート面積比の２５０倍の部分での累
積故障率（％）、横軸は総電荷量Ｑｂｄ（Ｃ／ｃｍ²）
をそれぞれ表している。（１）は従来の成膜方法により
成膜したＢＰＳＧ膜を用いた半導体トランジスタの場
合、（２）は本発明による成膜方法により成膜したＢＰ
ＳＧ膜を用いた半導体トランジスタの場合を表してい
る。図６から、（１）の場合と比較して、（２）の場合
の方が累積故障率が非常に低く、その信頼性が高いこと
がわかる。従って、本発明の成膜方法により成膜したＢ
ＰＳＧ膜を用いても半導体トランジスタの能力を維持す
ることが可能となる。

【００３５】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明は上記の実施の形態に限定されることな
く、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態
では、ＢＰＳＧ膜を成膜する場合について説明したが、
本発明は、これに限られず、ＢＳＧ（Boronsilicate Gl
ass ；ホウ素を含有した酸化シリコン）膜やＰＳＧ（Ph
oshosilicate Glass；リンを含有した酸化シリコン）膜
を成膜する場合にも適用することが可能である。ＢＳＧ
膜を成膜する場合には、成膜ガスとして、シリコンを含
むガスおよびホウ素を含むガスを用いるようにすればよ
く、ＰＳＧ膜を成膜する場合には、シリコンを含むガス
およびリンを含むガスを用いるようにすればよい。ま
た、成膜ガスを混合した後にその混合ガスを、シャワー
ヘッド部に供給することなく排気しているが、成膜ガス
を混合することなくそのまま排気することも可能であ
る。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置の製造方法によれば、複数種類の成膜ガスを用いて少
なくとも１種類の不純物を含む膜の成膜を行おうとする
時から所定時間が経過するまで、成膜ガスを成膜室に供
給することなく排気するようにしたので、その後に成膜
される膜の、膜厚方向における膜質を均一にすることが
できる。そして、このような膜を例えばキャパシタの作
製のために用いた場合には、その膜の下地膜との境界部
分でのオーバーエッチングが生じにくくなり、後の工程
で形成される導電膜（下部電極）間での短絡の発生を防
ぐことができるので、半導体装置の信頼性を向上させる
ことが可能となる。また、このような膜を例えば半導体
トランジスタ部に用いた場合には、後の工程での熱処理
による過剰な量の不純物の、拡散領域への拡散を防ぐこ
とができるので、半導体装置の信頼性を低下させること
なく、その能力を安定に維持することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造
方法に用いられる半導体製造装置の概略構成を表す図で
ある。

【図２】図１に示した半導体製造装置における成膜ガス
の流量の変化を測定した結果である。

【図３】成膜したＢＰＳＧ膜をＳＩＭＳ法により分析し
た結果を表す図である。

【図４】ＢＰＳＧ膜をシリンダコア層として用いた場合
のシリンダ状のキャパシタの断面をＳＥＭにより撮影し
た写真の模式図である。

【図５】ＢＰＳＧ膜およびコンタクト電極を形成して半
導体トランジスタ部を作製する方法を説明するための図
である。

【図６】ＢＰＳＧ膜を用いた半導体トランジスタに関し
てゲート絶縁膜が絶縁破壊を生じる時の総電荷量を測定
した結果を表した図である。

【図７】従来のシリンダ状のキャパシタの作製方法を説
明するための図である。

【図８】従来のシリンダ状のキャパシタの作製方法を説
明するための図である。

【符号の説明】

１０…半導体製造装置、１１…チャンバ、１１Ａ…成膜
室、１２…基板ホルダ、１３，７１…半導体基板、１４
…シャワーヘッド部、１６…混合ガス導入配管、１７…
ガス混合部、１８，２０…三方バルブ、１９…混合ガス
排気配管、２１…圧力調整バルブ、２２…排気配管、２
３…真空ポンプ、２４…パージガス導入配管、２５…圧
力計、２６，３１，３２，３３…遮断バルブ、２７…導
入配管、３４，３５，３６…成膜ガス導入配管、３７，
３８，３９…気化器、４０，４１，４２…液体流量コン
トローラ、４３，４４，４５…原料液体タンク、４６，
４７，４８…不活性ガス導入配管、４９…ヒータ、５
０，５１，５２…成膜ガス供給部、６０…シリコン基
板、６１，７９…窒化シリコン膜、６２…下部電極、６
３，６４…微結晶、７１Ａ…埋込酸化膜、７１Ｂ…拡散
領域、７２…ゲート絶縁膜、７３，７４…多結晶シリコ
ン膜、７５…タングステンシリサイド膜、７７…オフセ
ット絶縁膜、７８…側壁、８０Ａ，８０Ｂ…ＢＰＳＧ
膜、８１Ａ，８１Ｂ…コンタクト電極。

フロントページの続きＦターム(参考） 4K030 AA06 AA09 AA14 AA18 AA20 BA29 BA44 CA04 FA10 4M104 AA01 BB01 DD07 DD19 DD63 DD75 EE05 EE12 EE15 GG09 GG10 GG14 GG16 HH10 HH20 5F033 JJ04 JJ05 KK01 KK04 KK28 LL04 MM07 QQ09 QQ16 QQ18 QQ25 QQ37 QQ48 QQ74 RR06 RR13 RR14 RR15 SS02 SS03 SS04 SS12 TT02 TT08 XX15 XX28 XX31 5F045 AA03 AB32 AC01 AC08 AC09 AC11 AC15 AD08 AD09 AE25 AF03 BB04 BB16 CB05 DP03 EE02 EE04 EE05 EF05 GB07 GB11 5F058 BA20 BC02 BC04 BF03 BF04 BF23 BF25 BF27 BF29 BF32 BF33 BF37 BG01 BG02 BJ02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数種類の成膜ガスが供給される成膜室
において少なくとも１種類の不純物を含む膜の成膜を行
う半導体装置の製造方法であって、成膜を開始しようとする時から所定時間が経過するま
で、前記成膜ガスを前記成膜室に供給させることなく排
気することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記成膜ガスとして、気体、または液体
状態の原料を気化させることにより得られるものを用い
ることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項３】前記成膜ガスとして、少なくとも、シリ
コンを含む第１のガスおよび前記不純物を含む少なくと
も１種類の第２のガスを用いることを特徴とする請求項
１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記第２のガスとして、ホウ素を含む第
３のガスまたはリンを含む第４のガスの少なくとも一方
のガスを用いることを特徴とする請求項３記載の半導体
装置の製造方法。
【請求項５】前記第１のガスとして、テトラエトキシ
シランガス，テトラメトキシシランガスまたはモノシラ
ンガスのいずれか１つのガスを用い、前記第３のガス
は、トリメチルボレートガスまたはトリエチルボレート
のいずれか１つのガスを用い、前記の第４のガスは、ト
リメチルフォスファイトガス，トリメチルフォスフェイ
トガスまたはトリエチルフォスフェイトガスのいずれか
１つのガスを用いることを特徴とする請求項４記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項６】前記所定時間を、前記成膜ガスの流量が
予め設定された流量に対して実質的に安定するまでの時
間とすることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の
製造方法。