JP2003178992A

JP2003178992A - 半導体デバイスの製造方法

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Publication number: JP2003178992A
Application number: JP2002291517A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Noda; 孝暁野田; Akira Morohashi; 明諸橋; Junji Asahi; 順司朝日
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2003-06-27
Anticipated expiration: 2022-10-03
Also published as: JP4439796B2

Abstract

(57)【要約】【課題】モノシランと三塩化ホウ素とを使用し、減圧Ｃ
ＶＤ法によってボロンドープシリコン膜を成膜する半導
体デバイスの製造方法であって、膜厚面内均一性が良好
なボロンドープシリコン膜の作製を可能とする半導体デ
バイスの製造方法を提供すること。【解決手段】ヒータ６によって加熱された反応炉１０内
のボート３に搭載されたウェハ４に、減圧下、モノシラ
ンと三塩化ホウ素とを含有するガスを作用させて、ウェ
ハ４の表面にボロンドープシリコン膜を堆積させる半導
体デバイスの製造方法において、反応炉１０内温度を４
６０℃以上６００℃未満とすることを特徴とする半導体
デバイスの製造方法を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体デバイスの製
造方法に関し、特に、ＣＶＤ法（化学気相堆積法）によ
って、ボロンドープシリコン膜すなわち、ボロンドープ
アモルファスシリコン膜またはボロンドープポリシリコ
ン膜を成膜する半導体デバイスの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】

【特許文献１】特開平５−６２９０４号公報ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体デバイスを製造する工程におい
ては、ＣＶＤ法（化学気相堆積法）によって、基板上に
薄膜を成膜することが行われている。そのような成膜方
法の１つとして、減圧ＣＶＤ法によって、ボロンをドー
プしたシリコン膜を成膜することが実施されている。

【０００３】従来、シリコン膜にボロンをドープするの
にジボランが用いられていた。この場合に、反応炉内で
ボートに複数枚のウェハを垂直方向に積層支持した状態
で、炉体下部よりガスを導入し、垂直方向に上昇させ、
そのガスを用いて、熱ＣＶＤ法により、前記ウェハ上に
薄膜を形成する減圧ＣＶＤ装置（図１に例示）を用いる
と、ＣＶＤ装置内のボトム領域（下部領域）からトップ
領域（上部領域）までの全領域において、膜厚および抵
抗率の面内均一性が１０〜２０％と悪かった。

【０００４】また、ＣＶＤ装置内のボトム領域からトッ
プ領域まで（図１参照）の抵抗率の面間（基板面間）均
一性が温度フラット（均一）な状態で３０〜４０％と悪
く、この均一性は、成膜温度を下げジボランの分解を抑
えることで改善されるが成膜温度を下げると成膜速度が
低下し、スループットが落ちるといった問題があった。

【０００５】上記の膜厚面内均一性は、ジボランに代え
て三塩化ホウ素を用いることによって大幅に改善される
ことが判明している。図２に、ボロンドープポリシリコ
ン膜の膜厚面内均一性を、シリコン源としてモノシラン
を用い、ボロンドープ用にジボランを用いた場合と三塩
化ホウ素を用いた場合とで比較して示す。図中、縦軸は
膜厚面内均一性（ただし、膜厚面内不均一量の百分率で
表しているので、縦軸の数値が小さいほど均一性が良
い）、横軸はウェハ搭載スロット位置（図１参照）であ
る。図２から明らかなように、ジボランを用いた場合よ
りも三塩化ホウ素を用いた場合のほうが、膜厚面内均一
性が大幅に改善していることが分かる。

【０００６】また、上記の抵抗率の面間均一性も、上記
のジボランを三塩化ホウ素（ＢＣｌ _３）に代えることに
よって、大幅に改善されることが判明している。例え
ば、モノシラン（ＳｉＨ_４）と三塩化ホウ素とを用いて
作製したボロンドープポリシリコン膜において、抵抗率
面間均一性は、モノシラン分圧６３.４Ｐａ、三塩化ホ
ウ素分圧３.２Ｐａで温度４００〜４２０℃フラットの
状態で約１０％である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ボロン
ドープ用のガスとして三塩化ホウ素を用いた場合におい
ても、ボトム領域（スロット位置Ｎｏ１１-３６）での
膜厚面内均一性は５〜６％であり、この値は、半導体素
子の製造用としては十分に低い値ではなく、この膜厚面
内均一性をさらに改善することは実用上の重要な課題と
なっている。

【０００８】また、抵抗率の面間均一性についても、三
塩化ホウ素を用いた場合においては、ジボランガスでの
結果と比較すると、良い値であるが、生産レベルで考え
た場合は不十分であり、この抵抗率面間均一性は３％以
下であることが要求される。

【０００９】抵抗率面間均一性が悪い理由の１つに、三
塩化ホウ素分圧の反応炉内位置による変化が挙げられ
る。リアクター内に導入された三塩化ホウ素ガスは、成
膜によって消費されながらリアクター内を上昇し、排気
されるが、モノシランとの消費率が違うため、炉内位置
によって三塩化ホウ素ガスの分圧が変化していることが
考えられる。そこで、抵抗率を三塩化ホウ素ガス分圧の
変化に左右されずに面間で均一にすることが望ましく、
それを実現するための条件を求めることが実用上重要で
ある。

【００１０】本発明の目的は、上記課題を解決し、モノ
シランと三塩化ホウ素とを使用し、ＣＶＤ法によって基
板上にボロンドープシリコン膜を成膜する半導体デバイ
スの製造方法であって、膜厚面内均一性が良好なボロン
ドープシリコン膜の作製を可能とする半導体デバイスの
製造方法を提供することである。

【００１１】また、本発明の他の目的は、上記課題を解
決し、モノシランと三塩化ホウ素とを使用し、ＣＶＤ法
によって基板上にボロンドープシリコン膜を成膜する半
導体デバイスの製造方法であって、抵抗率面間均一性が
良好なボロンドープシリコン膜の作製を可能とする半導
体デバイスの製造方法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、第１の手段として、反応ガスとしてモ
ノシランと三塩化ホウ素とを使用し、反応炉内におい
て、ＣＶＤ法によって基板上にボロンドープシリコン膜
を成膜する半導体デバイスの製造方法において、前記ボ
ロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内温度
を４６０℃以上６００℃未満とすることを特徴とする半
導体デバイスの製造方法を構成し、第２の手段として、
前記第１の手段において、前記反応炉内でボートに複数
枚の基板を垂直方向に積層支持した状態で、炉体下部よ
りガスを導入し垂直方向に上昇させ、熱ＣＶＤ法により
各前記基板上にボロンドープシリコン膜を形成すること
を特徴とする半導体デバイスの製造方法を構成し、第３
の手段として、前記第１の手段において、前記ボロンド
ープシリコン膜成膜時における前記反応炉内温度を４８
０℃以上６００℃未満とすることを特徴とする半導体デ
バイスの製造方法を構成し、第４の手段として、前記第
１の手段において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時
における前記反応炉内温度を５２０℃以上６００℃未満
とすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法を構
成し、第５の手段として、前記第１の手段において、前
記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内
のガスの合計平均流速を３８９０ｃｍ/分以下とするこ
とを特徴とする半導体デバイスの製造方法を構成し、第
６の手段として、前記第３の手段において、前記ボロン
ドープシリコン膜成膜時における前記反応炉内のガスの
合計平均流速を３９９０ｃｍ/分以下とすることを特徴
とする半導体デバイスの製造方法を構成し、第７の手段
として、前記第４の手段において、前記ボロンドープシ
リコン膜成膜時における前記反応炉内のガスの合計平均
流速を４２００ｃｍ/分以下とすることを特徴とする半
導体デバイスの製造方法を構成し、第８の手段として、
反応ガスとしてモノシランと三塩化ホウ素とを使用し、
反応炉内において、ＣＶＤ法によって基板上にボロンド
ープシリコン膜を成膜する半導体デバイスの製造方法に
おいて、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前
記反応炉内のガスの合計平均流速を２２００ｃｍ/分以
下とすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法を
構成し、第９の手段として、前記第８の手段において、
前記反応炉内でボートに複数枚の基板を垂直方向に積層
支持した状態で、炉体下部よりガスを導入し垂直方向に
上昇させ、熱ＣＶＤ法により各前記基板上にボロンドー
プシリコン膜を形成することを特徴とする半導体デバイ
スの製造方法を構成し、第１０の手段として、前記第８
の手段において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時に
おける前記反応炉内のガスの合計平均流速を１４７０ｃ
ｍ/分以下とすることを特徴とする半導体デバイスの製
造方法を構成し、第１１の手段として、前記第８の手段
において、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における
前記反応炉内のガスの合計平均流速を７３０ｃｍ/分以
下とすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法を
構成し、第１２の手段として、前記第８の手段におい
て、前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反
応炉内温度を４００℃以上６００℃未満とすることを特
徴とする半導体デバイスの製造方法を構成し、第１３の
手段として、前記第８の手段において、前記ボロンドー
プシリコン膜成膜時における前記反応炉内温度を４００
℃以上４４０℃以下とすることを特徴とする半導体デバ
イスの製造方法を構成し、第１４の手段として、反応炉
内でボートに複数枚の基板を垂直方向に積層支持した状
態で、炉体下部より反応ガスとしてモノシランと三塩化
ホウ素とを導入し垂直方向に上昇させ、熱ＣＶＤ法によ
り各前記基板上にボロンドープシリコン膜を形成する半
導体デバイスの製造方法において、前記ボロンドープシ
リコン膜成膜時における前記反応炉内のガスの合計平均
流速を、各前記基板上に形成される前記ボロンドープシ
リコン膜の膜厚面内均一性が３％以下となるような流速
とすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法を構
成し、第１５の手段として、反応ガスとしてモノシラン
と三塩化ホウ素とを使用し、反応炉内において、ＣＶＤ
法によって基板上にボロンドープシリコン膜を成膜する
半導体デバイスの製造方法において、前記ボロンドープ
シリコン膜成膜時における前記反応炉内の三塩化ホウ素
の分圧を０.７Ｐａ以下とすることを特徴とする半導体
デバイスの製造方法を構成し、第１６の手段として、ヒ
ータにより加熱された反応炉内において、モノシランと
三塩化ホウ素とを使用し、ＣＶＤ法によって、基板上に
ボロンドープシリコン膜を形成する半導体デバイスの製
造方法において、前記反応炉内に設置され、前記ヒータ
に対向する部分と、前記反応炉内におけるガス流路の上
流側にガスを放出する噴出口とを有するノズル管を通し
て前記三塩化ホウ素を前記反応炉内に供給することを特
徴とする半導体デバイスの製造方法を構成し、第１７の
手段として、内部で基板を処理する反応管と、前記反応
管の外部に設けられ、前記基板を加熱するヒータと、前
記反応管内にモノシランを供給するノズルと、前記反応
管内に三塩化ホウ素を供給するノズル管とを有する基板
処理装置において、前記三塩化ホウ素を供給するノズル
管は、前記反応管内において前記ヒータに対向する部分
と、反応炉内におけるガス流路の上流側に前記三塩化ホ
ウ素を放出する噴出口とを有することを特徴とする基板
処理装置を構成する。

【００１３】

【発明の実施の形態】［第１の実施形態］本発明がなさ
れる前の予備的考察において、上記ボトム領域で形成さ
れた膜厚面内均一性が５〜６％のボロンドープポリシリ
コン膜は、ウェハ中心部で厚く、外側にいくほど薄くな
っていく傾向が見られた。これは、ボロンが有する成膜
速度を増加させる触媒効果を考慮すると、ボトム領域ウ
ェハ外側部分では三塩化ホウ素ガスは十分に分解してお
らず、ウェハ内側方向に拡散していく際に除々に分解し
ていることが考えられる。ウェハ面内温度分布による影
響も原因として挙げられるが、成膜前温度安定化時間や
ボトム領域下方ダミーウェハの有無に対する膜厚面内均
一性の依存性が無いことから、それは考えにくい。これ
らの結果から、三塩化ホウ素をボトム領域に達するまで
に十分分解させることが、ボトム領域の膜厚面内均一性
を改善する上で重要であるといえる。本発明は、このよ
うな考察に基づいてなされたものである。

【００１４】反応ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ_４）と
三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）とを使用して、反応炉内でボ
ートに複数枚のウェハを垂直方向に積層支持した状態
で、炉体下部よりガスを導入し垂直方向に上昇させ、そ
のガスを用いて、熱ＣＶＤ法により、前記ウェハ上に、
ボロンドープシリコン薄膜、すなわち、ボロンドープア
モルファスシリコン薄膜またはボロンドープポリシリコ
ン薄膜を形成するホットウォール式のバッチ式縦型減圧
ＣＶＤ装置の構造概略図を図１に示す。

【００１５】ホットウォール炉を構成し、基板としての
ウェハ４を加熱する、４ゾーンに分かれたヒータ６ａ〜
６ｄの内側に、反応炉１０の外筒である石英製の反応管
すなわちアウターチューブ１およびアウターチューブ１
内部のインナーチューブ２が、軸を垂直にして設置され
ており、この２種のチューブの間をメカニカルブースタ
ポンプ７およびドライポンプ８を用いて真空引きしてい
る。従って、インナーチューブ２内側に導入される反応
ガスは、インナーチューブ２内を垂直に上昇し、２種の
チューブの間を下降して排気される。インナーチューブ
２の全長は約１２５０〜１２６０ｍｍ、内径は約２５０
〜２７０ｍｍであり、アウターチューブ１の全長は約１
２７０〜１２８０ｍｍ、内径は約２９０〜３１０ｍｍで
あり、反応管内容積は約６６６００ｃｍ^３〜６６７００
ｃｍ^３である。

【００１６】複数枚のウェハ４が中心をそろえて垂直方
向に積層して装填された石英製のボート３はインナーチ
ューブ２内に設置され、反応ガスにさらされた時に、気
相中およびウェハ４表面での反応により、ウェハ４上に
薄膜が形成される。断熱板５は、ウェハ４が存在する位
置範囲内の温度を均一化するためのものである。また、
図１中、９はボート回転軸である。

【００１７】なお、ボート３には、ウェハ４を支持する
スロットが合計１７２個設けられており、一番下のスロ
ットから数えて１０スロット目まではダミーのウェハ４
が、１１から１６７スロット目までは製品のウェハ４
が、１６８から１７２スロット目まではダミーのウェハ
４が支持される。また、図１中のトップ領域、センタ領
域、ボトム領域とは、それぞれ、１２９から１６７スロ
ット目までの製品のウェハ４の存在する領域、３７から
１２８スロット目までの製品のウェハ４の存在する領
域、１１から３６スロット目までの製品のウェハ４の存
在する領域のことを示している。また、４つに分かれた
ヒータゾーンのうち、一番下のＬ(Lower)ゾーン(ヒータ
６ｄに対応)は１スロット目より下側の、ウェハが殆ど
存在しない領域に対応しており、下から二番目のＣＬ(C
enter Lower)ゾーン(ヒータ６ｃに対応)は２から５６ス
ロット目までのダミーのウェハ４と製品のウェハ４とが
混在する領域に対応しており、下から三番目すなわち上
から二番目のＣＵ(Center Upper)ゾーン(ヒータ６ｂに
対応)は５７から１７２スロット目までの製品のウェハ
４とダミーのウェハ４とが混在する領域に対応してお
り、下から四番目すなわち一番上のＵ(Upper)ゾーン(ヒ
ータ６ａに対応)はそれより上側のウェハの存在しない
領域に対応している。また、三塩化ホウ素ガス（ＢＣｌ
_３）を供給する石英ノズルはモノシラン（ＳｉＨ_４）を
供給するノズルとともにヒータと対向する領域より下方
であって反応管下方の炉口部（図中、左下）にそれぞれ
設けられている。また、断熱板５はＬゾーンに対応する
ヒータ６ｄよりも下側に設置される。

【００１８】成膜手順を図３に示す。まず反応炉１０内
を成膜温度に安定化させた後、ウェハ４を装填したボー
ト３を反応炉１０内にロード（挿入）する。リアクター
（反応炉１０）内を排気し、ボート３やチューブ１、２
に吸着した水分等を脱離させるためにＮ_２パージを行な
う。リアクター（反応炉１０）内リークチェックを行な
った後、モノシランと三塩化ホウ素の流量を設定し、反
応炉１０内にガスを流して圧力を安定化させ、ボロンド
ープシリコン膜、すなわち、ボロンドープアモルファス
シリコン膜またはボロンドープポリシリコン膜の成膜を
行なう。成膜が終了したら配管内をＮ_２でサイクルパー
ジし、Ｎ_２でリアクター内を大気圧まで戻す。大気圧に
戻ったらボート３をアンロードし、ウェハ４を自然冷却
する。最後にウェハ４をボート３から取り出す。

【００１９】［実施例１］（成膜温度の高温化）図４にボトム領域膜厚面内均一性
の炉内温度依存性を示す。図中、縦軸は膜厚面内均一性
（ただし、膜厚面内不均一量の百分率で表しているの
で、縦軸の数値が小さいほど均一性が良い）、横軸は炉
内温度である。この場合に、モノシランと三塩化ホウ素
の分圧は、それぞれ、６９.３Ｐａと０.７Ｐａであり、
流量は、それぞれ、５００ｓｃｃｍと５ｓｃｃｍであ
る。

【００２０】図４が示すように、炉内温度を上げること
により三塩化ホウ素の分解が促進され、特に、炉内温度
４８０℃以上で良好な膜厚面内均一性が得られている。
半導体デバイスの種類によっては、膜厚面内均一性が３
％以下ならば、その膜を利用できる場合もあるので、そ
のような場合には、成膜温度、すなわち炉内温度を４６
０℃以上、例えば４８０℃とすればよい。図４が示すよ
うに、成膜温度を４６０℃以上とすることにより、ボト
ム領域での膜厚面内均一性を３％以下とすることがで
き、また、成膜温度を４８０℃以上とすることにより、
ボトム領域での膜厚面内均一性を２％以下とすることが
できる。また、成膜温度を５２０℃以上とすることによ
り、ボトム領域での膜厚面内均一性を１％以下とするこ
とができる。ただし、成膜温度を６００℃以上とする
と、三塩化ホウ素不足による抵抗率の増大や、トップ、
センタ領域の膜厚面内均一性の悪化という問題が生じる
ので、成膜温度は６００℃未満であることが望ましい。

【００２１】以上のことから、抵抗率を増大させること
なく膜厚面内均一性を良好とするには、成膜温度を４６
０℃以上６００℃未満とすることが好ましい。また、成
膜温度を４８０℃以上６００℃未満とすると、抵抗率を
増大させることなく膜厚面内均一性をさらに良好にする
ことができるので、より好ましい。

【００２２】上記特許文献１においては、シラン（Ｓｉ
Ｈ_３）などのシリコン材と、ＰＨ_３、ＢＣｌ_３などのド
ープガスとを用い、枚葉処理方式で、約６００℃から約
７００℃のウェーハ温度でウェーハ上にドープされたポ
リシリコン層を形成する方法が記載されている。しかし
ながら特許文献１に記載の上記ウェーハ温度範囲は、ド
ープガスとしてＰＨ_３を用いた場合のものであって、Ｂ
Ｃｌ_３を用いた場合のものではない。ＢＣｌ_３を用いた
場合と、ＰＨ_３を用いた場合とでは、反応の仕方が全く
異なるので、ウェーハ温度も当然異なる。本実施例およ
び後述の実施例に示すように、本発明においては、モノ
シランと三塩化ホウ素とを用いて、ボロンをドープされ
たシリコン膜を成膜する場合に、６００℃未満の温度を
好ましい成膜温度とする。

【００２３】以上に説明したように、成膜温度の高温化
により、ボトム領域での膜厚面内均一性を１％程度まで
低下させて、膜厚面内均一性を改善することができ、こ
れまで膜厚面内均一性が５〜６％と悪くて廃棄してきた
ボトム領域（スロット位置Ｎｏ１１〜３６）のウェハを
生産ラインに乗せることができるようになるため、生産
性を大幅に向上させることができる。

【００２４】［実施例２］（ガス流速の低速化）炉内温度を上げることにより、三
塩化ホウ素の分解が促進されるので、炉内温度高温化に
より膜厚面内均一性を改善する方法が有効であること
は、実施例１で述べた通りである。しかしながら、半導
体デバイスの種類によっては、例えば４４０℃以下の温
度で成膜しなければならない場合があり、このような場
合、温度を上げることなく三塩化ホウ素の分解を促進す
る必要がある。そこで、本発明者らはガス流速を制御す
ることにより（低速化することにより）、三塩化ホウ素
の分解を促進する方法を見出した。

【００２５】図５に膜厚面内均一性のモノシランと三塩
化ホウ素の合計流量依存性を示す。図中、縦軸は膜厚面
内均一性（ただし、膜厚面内不均一量の百分率で表して
いるので、縦軸の数値が小さいほど均一性が良い）、横
軸はモノシランと三塩化ホウ素の合計流量である。この
場合に、三塩化ホウ素の流量を５ｓｃｃｍ一定とし、モ
ノシランの流量を５００ｓｃｃｍから１００ｓｃｃｍま
で減少させ、炉内温度は４００〜４２０℃で成膜してい
る。モノシランと三塩化ホウ素の分圧は、それぞれ、６
０.０〜６９.３Ｐａと０.７〜１０Ｐａ、合計７０Ｐａ
である。

【００２６】図５より、条件（Ｃ）に対して、ガス流速
を約１/５にすることによって、反応炉１０内にガスが
導入されてからボトム領域に達するまでの所要時間を大
きくし、三塩化ホウ素が加熱される時間を延ばして、三
塩化ホウ素の分解を促進させることができ、全領域で１
％程度の膜厚面内均一性を実現させることができる（図
中、(Ａ）で示す)。この時に用いた膜厚モニタのスロッ
ト位置は、ボトム領域がＮｏ１１(下から１１枚目）、
センタ領域がＮｏ８９(下から８９枚目）、トップ領域
がＮｏ１６７(下から１６７枚目）である。すでに述べ
たように、半導体デバイスの種類によっては、膜厚面内
均一性が３％以下ならば、その膜を利用できる場合もあ
るので、そのような場合には、図中、(Ｂ)で示した条件
下で成膜すればよい。すなわち、全領域で３％程度の膜
厚面内均一性が許される場合には、モノシランと三塩化
ホウ素の合計流量を２５５ｓｃｃｍとすればよい。

【００２７】さらに、図５は、合計流量を３００ｓｃｃ
ｍ以下とすれば、全領域で膜厚面内均一性が３％以下と
なることを示している。ガス流路の断面積は５３１ｃｍ
^２であるので、圧力７０Ｐａ、温度４００〜４２０℃に
おける流量３００ｓｃｃｍは平均流速２２００ｃｍ/分
となる。すなわち、平均流速２２００ｃｍ/分以下で成
膜を行えば、全領域で膜厚面内均一性が３％以下である
ようなボロンドープポリシリコン膜が得られることにな
る。

【００２８】また、図５は、合計流量を２００ｓｃｃｍ
以下、１００ｓｃｃｍ以下とすれば、全領域で膜厚面内
均一性が、それぞれ、２％以下、１％以下となることを
示している。ここで、合計流量が２００ｓｃｃｍ、１０
０ｓｃｃｍのときの、それぞれの平均流速は、１４７０
ｃｍ/分、７３０ｃｍ/分となる。すなわち、平均流速１
４７０ｃｍ/分以下で成膜を行えば、全領域で膜厚面内
均一性が２％以下であるようなボロンドープポリシリコ
ン膜が得られることとなり、平均流速７３０ｃｍ/分以
下で成膜を行えば、全領域で膜厚面内均一性が１％以下
であるようなボロンドープポリシリコン膜が得られるこ
ととなる。

【００２９】また、図５より、合計平均流速を、７３０
ｃｍ/分〜２２００ｃｍ/分として成膜を行えば、全領域
で、膜厚均一性が、１〜３％以下であるようなボロンド
ープシリコン膜が得られることが分かる。

【００３０】以上に説明したように、ガス流速の低速化
により、ボトム領域での膜厚面内均一性を１％程度とす
ることが可能となり、膜厚面内均一性を改善することが
でき、これまで膜厚面内均一性が５〜６％と悪くて廃棄
してきたボトム領域（スロット位置Ｎｏ１１〜３６）の
ウェハを生産ラインに乗せることができるようになるた
め、生産性を大幅に向上させることができる。また、本
方法、すなわちガス流速の低速化では低温プロセスにも
対応することができる。

【００３１】なお、炉内温度３８０〜４００℃として、
ＢＣｌ_３分圧、全圧、断熱板枚数を変化させて、ボトム
領域膜厚面内均一性の変化を調べたところ、ＢＣｌ_３分
圧、全圧、断熱板枚数は、何れもボトム領域膜厚面内均
一性に対し依存性はないことが実験により確認された。
これらの実験から、ボトム領域膜厚面内均一性に最も影
響を及ぼすのは、反応ガスの合計平均流速と炉内温度で
あることが判明した。

【００３２】実施例１の図４に示した結果を得る際の実
験において、各測定点にける反応ガスの合計平均流速
は、炉内温度が３９０℃のとき３５１０ｃｍ/分、４１
０℃のとき３６２０ｃｍ/分、４５０℃のとき３８３０
ｃｍ/分、４８０℃のとき３９９０ｃｍ/分、５２０℃の
とき４２００ｃｍ/分である。また同じ条件で炉内温度
を４６０℃としたときの合計平均流速は３８９０ｃｍ/
分であり、６００℃としたときは４６３０ｃｍ/分とな
る。前述のように、ボトム領域膜厚面内均一性に最も影
響を及ぼすのは、反応ガスの合計平均流速と炉内温度で
あり、合計平均流速は低速である方が、また炉内温度は
高い方がボトム領域膜厚面内均一性は良好となる。従っ
て、少なくとも炉内温度を４６０℃とした場合に、合計
平均流速を３８９０ｃｍ/分以下とすれば、ボトム領域
での膜厚面内均一性を確実に３％以下とすることがで
き、また、少なくとも炉内温度を４８０℃とした場合
に、合計平均流速を３９９０ｃｍ/分以下とすれば、ボ
トム領域での膜厚面内均一性を確実に２％以下とするこ
とができ、また、少なくとも炉内温度を５２０℃とした
場合に、合計平均流速を４２００ｃｍ/分以下とすれ
ば、ボトム領域での膜厚面内均一性を確実に１％以下と
することができる。

【００３３】また、実施例２の図５に示した結果を得る
際の実験において、炉内温度を４００〜４２０℃として
行っている。前述のように、ボトム領域膜厚面内均一性
に最も影響を及ぼすのは、反応ガスの合計平均流速と炉
内温度であり、合計平均流速は低速である方が、また炉
内温度は高い方がボトム領域膜厚面内均一性は良好とな
る。従って、少なくとも炉内温度を４００℃とした場合
に、合計平均流速を２２００ｃｍ/分以下とすれば、全
領域で膜厚面内均一性を確実に３％以下とすることがで
き、また、少なくとも炉内温度を４００℃とした場合に
おいて、合計平均流速を１４７０ｃｍ/分以下とすれ
ば、全領域で膜厚面内均一性を確実に２％以下とするこ
とができ、少なくとも炉内温度を４００℃とした場合に
おいて、合計平均流速を７３０ｃｍ/分以下とすれば、
全領域で膜厚面内均一性を確実に１％以下とすることが
できる。なお、本実施例においても、成膜温度は実施例
１と同様、６００℃未満とすることが好ましいが、本実
施例は実施例１よりも低温、例えば４４０℃以下として
成膜しなければならないような場合にも適用できるとい
う利点がある。

【００３４】［実施例３］（三塩化ホウ素の予備加熱）本実施例における基板処理
装置としてのホットウォール式のバッチ式縦型減圧ＣＶ
Ｄ装置の構造概略図を図６に示す。

【００３５】基板処理装置の構成や、この基板処理装置
を用いて半導体デバイス製造の一工程として基板上に成
膜を行う方法については、三塩化ホウ素を供給するノズ
ルとしてリターンノズルを用いる点以外は、前述の実施
例１、２と同等なので、ここでは本実施例の特徴的部分
であるリターンノズルについて主に説明する。なお、図
６中、図１で示したものと同等のものには同符号を付
し、その説明を省略する。

【００３６】図６に例示したように、モノシランは、従
来技術と同様に、ヒータと対向する領域より下方であっ
て反応管下方に設けられたノズル１３によって反応炉１
０内に供給し、三塩化ホウ素はリターンノズル１２を通
して反応炉１０内に供給する。リターンノズル１２は、
上記第１６の手段および第１７の手段におけるノズル管
に該当し、反応炉１０内において、ヒータ６により加熱
されるよう、ヒータ６と対向する領域より下方であって
反応管下方のボート３の底部の高さからヒータ６と対向
する領域内のボート３の頂部（ボート天板部分）の高さ
までを往復しており、反応炉１０内におけるガス流路の
ウエハ４よりも上流側に三塩化ホウ素を放出する噴出口
を有している。すなわち、リターンノズル１２は、ヒー
タ６と対向する領域を経由するＵ字型ノズルとなってい
る。リターンノズル１２中を通して反応炉１０内に供給
される三塩化ホウ素は加熱された状態で反応炉１０内の
上記流路の上流側に供給される。

【００３７】図６におけるリターンノズル１２として、
Ｕ字部分（反応炉１０底部からボート天板部分の高さま
での往復部分）の全長が２．６ｍ程度、内径が４ｍｍ程
度である石英管を用い、反応炉１０内温度３９０℃、圧
力７０Ｐａ、モノシランの流量５００ｓｃｃｍ、三塩化
ホウ素の流量５ｓｃｃｍ、希釈ガス無し、という条件下
で、ウエハ４上にボロンドープポリシリコン膜を形成し
たところ、三塩化ホウ素をノズル１３と同様の通常ノズ
ルを通して供給した場合に較べて、膜厚面内均一性を約
１０％改善することができた。

【００３８】上記の結果は、反応炉１０内において加熱
され、しかも長い流路を有するリターンノズル１２を使
用することで、三塩化ホウ素が反応炉１０内に導入され
てからボトム領域に達するまでの所要時間を大きくし、
三塩化ホウ素がリターンノズル１２の管内壁によって加
熱される時間を延ばすことで、三塩化ホウ素を十分に加
熱してから反応炉１０内に供給し、反応炉１０内におけ
る三塩化ホウ素の分解を促進させたことによると考えら
れる。

【００３９】また、リターンノズル１２内の三塩化ホウ
素流量を減少させることや、リターンノズル１２の管内
径を大きくして管内断面積を増加させることで、ノズル
内の三塩化ホウ素の流速を遅くすることができ、三塩化
ホウ素が加熱される時間を延ばすことで、三塩化ホウ素
の分解を促進させることができる。

【００４０】また、図６のリターンノズル１２以外に
も、例えば、図７に示したように、Ｗ字形（図中の
（ａ））、波状（図中の（ｂ））あるいは螺旋状（図中
の（ｃ））のノズル管を用いても、上記と同様の膜厚面
内均一性の改善が可能となる。すなわち、これらのノズ
ル管をリターンノズル１２に代えて使用した場合に、こ
れらのノズル管は、反応炉１０内において、ヒータ６と
対向し、ヒータ６で加熱される部分と、ガス流路のウエ
ハ４よりも上流側に三塩化ホウ素を放出する噴出口とを
有し、従って、通常のノズルよりも長い全長を有してい
るので、このようなノズル管を使用することによって、
ノズル管の多くの部分はヒータ６で加熱され、しかも、
三塩化ホウ素がこのようなノズル管の内壁によって加熱
されるので、三塩化ホウ素を十分に加熱してから反応炉
１０内のガス流の上流側に供給することができ、その結
果として、膜厚面内均一性を改善することができる。な
お、図７中、矢印はガスの流れる方向を示し、各ノズル
管の右側の端部が噴出口となっている。また、三塩化ホ
ウ素を放出する噴出口の数は１つであってもよいし、複
数であっても構わない。

【００４１】［第２の実施形態］本実施形態における基
板処理装置としてのホットウォール式のバッチ式縦型減
圧ＣＶＤ装置の構造概略図を図８に示す。基板処理装置
の構成や、この基板処理装置を用いて、半導体デバイス
製造の一工程として基板上に成膜を行う方法について
は、三塩化ホウ素を供給するノズルとして長さの異なる
複数本のノズルを用いる点と、ＢＣｌ_３の分圧を制御す
る点以外は、前述の第１の実施形態と同等なので、ここ
では本実施形態の特徴的部分である、長さの異なる複数
本のノズルと、ＢＣｌ_３の分圧を制御する方法について
主に説明する。なお、図８中、図１で示したものと同等
なものには同符号を付し、その説明を省略する。

【００４２】インナーチューブ２内側に三塩化ホウ素を
導入するための石英ノズルは、長さの異なるものが複数
本反応炉１０内に設置されており、三塩化ホウ素を複数
箇所から途中供給することが可能であり、三塩化ホウ素
ガス（ＢＣｌ_３）の分圧を反応炉１０内各位置において
制御することができる。また、モノシランを導入するた
めのノズルは反応管下方に設けられている。

【００４３】三塩化ホウ素ガス（ＢＣｌ_３）を供給する
石英ノズルは合計５本設けられており、１本はモノシラ
ン（ＳｉＨ_４）を供給するノズルとともにヒータと対向
する領域より下方であって反応管下方の炉口部（図中、
左下）に設けられており、その他の４本は、前記炉口部
を通り、それぞれの噴出口が３０スロット目、７０スロ
ット目、１１０スロット目、１５０スロット目の位置に
対応するように、それぞれ等間隔に設けられており、三
塩化ホウ素を、反応炉１０内の複数箇所から途中供給可
能に構成されている。

【００４４】成膜の際、三塩化ホウ素の流量を減少させ
る、あるいは三塩化ホウ素を希釈することで、三塩化ホ
ウ素分圧を低くするよう制御することができ、形成され
るボロンドープシリコン膜の抵抗率面間（ウェハ間）均
一性を改善することができる。また反応炉１０内に複数
本設置された石英ノズルからの三塩化ホウ素流量を制御
（三塩化ホウ素分圧を制御）することでも抵抗率面間均
一性を改善することができる。

【００４５】［実施例４］（三塩化ホウ素分圧の最適化）図９に上記装置を用いて
上記方法により複数枚のウェハにボロンドープシリコン
膜を形成した際の抵抗率の三塩化ホウ素分圧依存性を示
す。この場合に、モノシランの分圧は６０．０〜６９．
３Ｐａであり、その流量は５００ｓｃｃｍであり、反応
温度は３９０℃あるいは４５０℃である。

【００４６】図９において、全領域、すなわち、トッ
プ、センタ、ボトム領域（図８に表示、図中のＮｏはボ
ート３のウェハ搭載スロット位置を示す）において、三
塩化ホウ素分圧が０.７Ｐａ付近あるいはそれ以下の範
囲（例えば、図９中の点０．０６Ｐａ、０．２Ｐａ）で
は、抵抗率の三塩化ホウ素分圧に対する変化の度合いは
比較的小さく（図中、各点を結んだ曲線の勾配が比較的
に緩やかであり）、三塩化ホウ素分圧が０.７Ｐａを超
える領域では、抵抗率の三塩化ホウ素分圧に対する変化
の度合いは急激に大きくなる（図中、各点を結んだ曲線
の勾配が急になる）傾向が見られる。すなわち、三塩化
ホウ素分圧を０.７Ｐａ程度以下として成膜を行えば、
反応炉１０内で三塩化ホウ素が消費されることにより面
間（ウェハ間）方向（垂直方向）に三塩化ホウ素分圧に
分布ができたとしても、抵抗率の変化は少なく、抵抗率
の面間均一性が良好であると言える。これに対し、三塩
化ホウ素分圧が０.７Ｐａを超える範囲で成膜を行う
と、反応炉１０内で三塩化ホウ素が消費されることによ
り面間（ウェハ間）方向（垂直方向）に三塩化ホウ素分
圧に分布ができた場合に、抵抗率の変化は大きくなり、
抵抗率の面間均一性が悪くなることが分かる。

【００４７】よって、成膜時における反応炉１０内の三
塩化ホウ素の分圧は、０.７Ｐａ以下とするのが好まし
い。

【００４８】図９からは、成膜時における反応炉１０内
の三塩化ホウ素の分圧を、０．０６Ｐａ〜０.７Ｐａと
するのが好ましいことが分かる。

【００４９】図１０に抵抗率面間均一性の三塩化ホウ素
分圧依存性を示す。ただし、図中、抵抗率面間均一性は
抵抗率面間不均一量の百分率で表されている（縦軸の数
値が小さいほど均一性が良い）。この場合に、モノシラ
ンの分圧は６０.０〜６９.３Ｐａであり、その流量は１
００〜５００ｓｃｃｍであり、反応温度は４００〜４２
０℃である。

【００５０】図１０から、抵抗率面間均一性が三塩化ホ
ウ素分圧の低下とともに改善されていくことが分かる。

【００５１】上記の２つの結果から、抵抗率の変化が三
塩化ホウ素分圧に対して急峻な領域（三塩化ホウ素分圧
が０.７Ｐａを超える領域）では抵抗率面間均一性が悪
く、抵抗率の変化が三塩化ホウ素分圧に対して緩やかな
領域（０.７Ｐａ以下）まで三塩化ホウ素分圧を低下さ
せることで、抵抗率面間均一性を１０％（１５０枚領
域）から５％以下とすることが可能となり５０％以上改
善することができる。抵抗率面間不均一量は、トップ、
センタ、ボトム領域における抵抗率平均値の中の最大値
から最小値を差し引き、全領域での抵抗率平均値の２倍
で割った値を１００倍して算出した。

【００５２】（反応炉内各位置における三塩化ホウ素分
圧の最適化）反応炉１０内に複数本設置された石英ノズ
ルより、複数箇所から、三塩化ホウ素をそれぞれ分圧に
して約０.１Ｐａ分途中供給する（全部で０.７Ｐａ）こ
とで、抵抗率面間均一性を１０％（１５０枚領域）から
４％以下とすることが可能となり６０％以上改善するこ
とができる。

【００５３】以上に説明したように、抵抗率の変化が三
塩化ホウ素分圧に対して綬やかな領域（０.７Ｐａ以
下）まで三塩化ホウ素分圧を低下させることにより、抵
抗率面間均一性を１０％（１５０枚領域）から５％以下
とすることが可能となり５０％以上改善することができ
る。また反応炉１０内に複数本設置された石英ノズルか
らの三塩化ホウ素流量を制御（三塩化ホウ素分圧を制
御）することで抵抗率面間均一性をさらに改善すること
ができ、生産性を大幅に向上させることが期待できる。

【００５４】

【発明の効果】本発明の実施によって、モノシランと三
塩化ホウ素とを使用し、ＣＶＤ法によってボロンドープ
ポリシリコン膜を成膜する半導体デバイスの製造方法で
あって、膜厚面内均一性が良好なボロンドープポリシリ
コン膜の作製を可能とする半導体デバイスの製造方法を
提供することができる。

【００５５】また、本発明の実施によって、モノシラン
と三塩化ホウ素とを使用し、ＣＶＤ法によってボロンド
ープシリコン膜を成膜する半導体デバイスの製造方法で
あって、抵抗率面間均一性が良好なボロンドープシリコ
ン膜の作製を可能とする半導体デバイスの製造方法を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】反応ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ_４）と三塩
化ホウ素（ＢＣｌ_３）とを使用して薄膜を形成する減圧
ＣＶＤ装置の構造概略図である。

【図２】膜厚面内均一性のウェハスロット位置依存性を
示す図である。

【図３】減圧ＣＶＤ法による成膜手順を説明する図であ
る。

【図４】ボトム領域膜厚面内均一性の炉内温度依存性を
示す図である。

【図５】膜厚面内均一性のモノシラン、三塩化ホウ素合
計流量依存性を示す図である。

【図６】本発明に係る基板処理装置の実施の形態例であ
る、反応ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ_４）と三塩化ホ
ウ素（ＢＣｌ_３）とを使用して薄膜を形成する減圧ＣＶ
Ｄ装置の構造概略図である。

【図７】本発明に係るノズル管の形状例を示す図であ
る。

【図８】反応ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ_４）と三塩
化ホウ素（ＢＣｌ_３）とを使用して薄膜を形成する減圧
ＣＶＤ装置の構造概略図である。

【図９】抵抗率の三塩化ホウ素分圧依存性を示す図であ
る。

【図１０】抵抗率面間均一性の三塩化ホウ素分圧依存性
を示す図である。

【符号の説明】

１…アウターチューブ、２…インナーチューブ、３…ボ
ート、４…ウェハ、５…断熱板、６…ヒータ、７…メカ
ニカルブースタポンプ、８…ドライポンプ、９…ボート
回転軸、１０…反応炉、１１…ステンレス製蓋、１２…
リターンノズル、１３…ノズル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号特願2001−310213(P2001−310213) (32)優先日平成13年10月５日(2001．10．5) (33)優先権主張国日本（ＪＰ） (72)発明者朝日順司大阪市中央区安土町１丁目８番15号株式会社国際電気セミコンダクタサービス大阪センタ内Ｆターム(参考） 4K030 AA03 AA06 AA20 BA26 BA29 BB03 BB05 JA01 JA07 JA10 LA11 5F045 AA03 AB02 AC01 AC03 AD08 AD09 BB01 DP19 DP28 DQ05 EE20 EK26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応ガスとしてモノシランと三塩化ホウ素
とを使用し、反応炉内において、ＣＶＤ法によって基板
上にボロンドープシリコン膜を成膜する半導体デバイス
の製造方法において、前記ボロンドープシリコン膜成膜
時における前記反応炉内温度を４６０℃以上６００℃未
満とすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】反応炉内でボートに複数枚の基板を垂直方
向に積層支持した状態で、炉体下部より反応ガスとして
モノシランと三塩化ホウ素とを導入し垂直方向に上昇さ
せ、熱ＣＶＤ法により各前記基板上にボロンドープシリ
コン膜を形成する半導体デバイスの製造方法において、
前記ボロンドープシリコン膜成膜時における前記反応炉
内のガスの合計平均流速を、各前記基板上に形成される
前記ボロンドープシリコン膜の膜厚面内均一性が３％以
下となるような流速とすることを特徴とする半導体デバ
イスの製造方法。
【請求項３】反応ガスとしてモノシランと三塩化ホウ素
とを使用し、反応炉内において、ＣＶＤ法によって基板
上にボロンドープシリコン膜を成膜する半導体デバイス
の製造方法において、前記ボロンドープシリコン膜成膜
時における前記反応炉内の三塩化ホウ素の分圧を０.７
Ｐａ以下とすることを特徴とする半導体デバイスの製造
方法。