JP2005072477A - シリコン薄膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリコン薄膜を複数のウェハ上に同時に形成する場合において、それぞれのウェハ面上に形成するシリコン薄膜の不純物濃度を均一にする。
【解決手段】 シリコンのみからなる第１の層を形成する第１の工程（時刻ｔ０〜ｔ１）と、不純物のみの、もしくは不純物が高濃度に注入された第２の層を形成する第２の工程（時刻ｔ３〜ｔ４）とを有し、第２の工程時における反応炉内の圧力を第１の工程時の反応炉内の圧力より下げることで、ドーピングガス（図１ではフォスフィンガス：ＰＨ_３）が、ウェハ間の隙間に入りやすくなり、均一な不純物濃度となるような、不純物のみの、もしくは不純物が高濃度に注入された第２の層を形成することができる。さらに、第１の工程及び第２の工程を交互に所定回数繰り返した後に第３の工程として熱処理を行うので、第２の層の不純物が第１の層内に拡散され、不純物濃度の均一なシリコン薄膜が形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明はシリコン薄膜の形成方法に関し、特にシリコン薄膜を複数の基板上に同時に形成するシリコン薄膜の形成方法に関する。

半導体デバイスやディスプレイデバイスにおいて不純物を注入（以下ドープと呼ぶ）されたシリコン薄膜、特にポリシリコン（多結晶シリコン）薄膜は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）のゲート電極や配線、コンデンサ電極など広範囲に用いられている。

シリコン薄膜の形成は、１枚ずつ基板（以下ウェハと呼ぶ）を処理する枚葉式の成膜装置を用いて行う場合もあるが、生産性をあげるため通常５０枚から２００枚程度のウェハを同時に１回で処理（バッチ処理）する、バッチ式の成膜装置を用いて行われる。

図６は、バッチ式の成膜装置による成膜の様子を説明する概略図である。
また、図７は、従来行われているシラン系の反応性ガス（以下シラン系ガスと呼ぶ）と不純物注入用ガス（以下ドーピングガスと呼ぶ）の流量の時間推移を示す図である。

成膜装置は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置であり、詳細な構成は後述するが、反応炉内に、図６のように、ウェハ１を多数枚順次平行に配置し、シラン系ガス２０ａ、ドーピングガス２０ｂからなる混合ガス２０（濃度調整などのためのキャリアガスを含む）を、図７に示すように一定の流量で注入して、ウェハ１にシリコン薄膜を形成する構成となっている。

例えば、不純物濃度が３×１０^２０ｃｍ^−３のｎ型ポリシリコン薄膜を、ウェハ１上に形成する場合、炉内温度５５０℃、圧力１００Ｐａの雰囲気中に、反応ガスとしてモノシランガス（１００％ＳｉＨ_４）を１０００ＳＣＣＭ、ドーピングガスとしてキャリアガスによって０．８％に希釈されたフォスフィンガス（０．８％ＰＨ_３／Ｎ_２）を１００ＳＣＣＭ、キャリアガスとして窒素ガス（Ｎ_２）を２００ＳＣＣＭの一定流量で同時に注入すると、約０．４Å／秒の速度で成膜される。

また、従来、形成されるシリコン薄膜の膜厚の均一性を図る目的で、シラン系ガスを被処理雰囲気中に供給してポリシリコン層を形成する工程と、ドーピングガスを被処理雰囲気中に供給して不純物層を形成する工程と、を分けて交互に繰り返し、最後に熱処理により不純物層の不純物をポリシリコン層内に拡散させる成膜方法があった（特許文献１）。
特許第３１５８２５９号公報（段落番号〔００２２〕〜〔００２６〕，第２図，第３図）

しかし、上記従来技術によるシリコン薄膜の形成方法では、以下に示す理由により、多数枚平行に配置されたウェハにおける、それぞれのウェハ面内でのシリコン薄膜の不純物濃度のばらつきが生じる問題があった。

ポリシリコン薄膜への不純物ドーピングは、シラン系ガスの付着確率と濃度の積に比例する速度で薄膜が堆積するのと同時に、ドーピングガスが有する付着確率と濃度の積に比例する速度でドーピングガスがシリコン薄膜内に取り込まれてゆくことにより進行する。バッチ式の成膜装置は、図６に示したように、ドーピングガス２０ｂが、隣り合ったウェハ１に挟まれた微細な空間に拡散しながらウェハ１の周辺から内部に向かって侵入する。そのため、ウェハ周辺部では濃度が高く、中心部に拡散するにしたがってドーピングガス２０ｂが消費され濃度が逓減することにより、ポリシリコン薄膜に取り込まれる不純物の濃度も内部に進むに従って減少するという現象が発生する。

図８は、ＣＶＤ装置に導入されるモノシランガス濃度とフォスフィンガス濃度との比に対して、形成されたリンドープトポリシリコン薄膜に取り込まれたリン濃度とシリコン量との比を求めた実験結果の図である。

横軸はモノシランガス濃度とフォスフィンガス濃度の比、縦軸はリン濃度とシリコン量の比である。
また、図９は、６インチウェハの平面図及びウェハ中心からの距離Ｘを示す図である。

また、図１０は、ポリシリコン薄膜のウェハ中心濃度に対する相対リン濃度の分布を測定した実験結果を示す図である。
横軸は図９で示したウェハ１の中心からの距離（ｍｍ）、縦軸は相対リン濃度であり、ウェハ１の中心のリン濃度を１としている。

ドーピングガスであるフォスフィンの付着確率は、図８で示した実験結果から容易に導出できるように、シラン系ガスであるモノシランの付着確率（２×１０^−６）に対して、１桁程度大きい（２×１０^−５）ために、不純物分布の不均一性は図１０に示すように大きくなる。

図１１は、ポリシリコン薄膜のリン濃度と電気抵抗率の関係を示す図である。
横軸はリン濃度であり、縦軸は電気抵抗率（Ωｃｍ）である。
この図のように、ポリシリコン薄膜においては、結晶粒界が存在するために、不純物濃度（リン濃度）と電気抵抗率との相関は非線形な関係を示す。そのため、実際のデバイスで重要なパラメータである電気抵抗率（もしくは、電気導電率）は不純物濃度の場合より、いっそう大きな不均一性を示すことになる。

図１２は、ポリシリコン薄膜のウェハ中心電気導電率に対する相対導電率の分布をリン濃度をパラメータとして測定したときの実験結果を示す図である。
横軸は図９で示したウェハ１の中心からの距離（ｍｍ）、縦軸は相対導電率であり、ウェハ１の中心の導電率を１としている。

この図は、前述したような条件である炉内温度５５０℃、圧力１００Ｐａの雰囲気中に、モノシランガス及びフォスフィンガスをそれぞれ所望のリン濃度に応じた流量を設定して同時に注入したときに形成されるポリシリコン薄膜について測定した結果を示している。

図のように、電気抵抗率の逆数である電気導電率の不均一性は、不純物濃度が３×１０^２０ｃｍ^−３の場合、電気導電率の分布幅は５％に満たないが、不純物濃度が下がるにしたがって大きく増大していることが分かる。具体的には、１×１０^１９ｃｍ^−３以下になると、電気導電率の分布幅は１０％以上と急激に増大し、３×１０^１８ｃｍ^−３では３０％近くに達する。

例えば、プレーナ型の縦型のＭＯＳＦＥＴ（ＤＭＯＳ）などで、ゲート電極となるポリシリコン薄膜の不純物濃度に、上記のような面内のばらつきがあると、ポリシリコン薄膜と基板との間の仕事関数差の分布がウェハ面内にでき、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の分布が発生するという不都合が生じる。例えば、電気導電率で１０％以上の差が発生すると、ＭＯＳＦＥＴの最も基本的なパラメータである閾値電圧が、ウェハ中心部と周辺部とでは約１％も異なってしまうという問題があり、実用に供することができないという問題があった。

通常のポリシリコンゲート電極では、３×１０^２０ｃｍ^−３程度のものを用い、その場合は特に問題にはならないが、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の耐圧を上げるために用いられる低不純物濃度のポリシリコン薄膜を形成する際には大きな問題となる。

また、特許文献１の技術では、シラン系のガスを被処理雰囲気中に供給してポリシリコン層を形成する工程と、ドーピングガスを被処理雰囲気中に供給して不純物層を形成する工程とを交互に行うので、実質的に高濃度で不純物をドープしていることになり、図１２からもわかるようにウェハ面内でのシリコン薄膜の不純物濃度のばらつきをある程度防止することができる。しかし、不純物層形成時の反応炉内の圧力に対する考察がなされておらず、十分に不純物濃度のばらつきを抑制することができないという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、ウェハ面上に形成するシリコン薄膜の不純物濃度を均一にできるシリコン薄膜の形成方法を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、シリコン薄膜を複数のウェハ上に同時に形成するシリコン薄膜の形成方法において、シラン系ガスを反応炉に供給してシリコンのみからなる第１の層を形成する第１の工程と、ドーピングガスのみまたは前記ドーピングガスと前記シラン系ガスを同時に前記反応炉に供給して、前記反応炉内の圧力が前記第１の工程時より低い状態を保ちつつ不純物のみの、もしくは前記不純物が高濃度に注入された第２の層を形成する第２の工程と、前記第１及び第２の工程を交互に所定回数繰り返した後に熱処理を行い、前記第２の層の前記不純物を前記第１の層内に拡散させる第３の工程と、を有することを特徴とするシリコン薄膜の形成方法が提供される。

このような方法によれば、第２の工程時の反応炉内の圧力を第１の工程時の反応炉内の圧力より下げることで、ドーピングガスが基板間の隙間に入りやすくなり、均一な不純物濃度となるような、不純物のみの、もしくは不純物が高濃度に注入された第２の層を形成する。また、第１の工程及び第２の工程を交互に所定回数繰り返した後に第３の工程として熱処理を行うので、第２の層の不純物が第１の層内に拡散され、不純物濃度の均一なシリコン薄膜が形成される。

本発明のシリコン薄膜の形成方法では、シリコンのみからなる第１の層を形成する第１の工程と、不純物のみの、もしくは不純物が高濃度に注入された第２の層を形成する第２の工程とを有し、第２の工程時の反応炉内の圧力を第１の工程時の反応炉内の圧力より下げることで、ドーピングガスがウェハ間の隙間に入りやすくなり、均一な不純物濃度となるような、不純物のみの、もしくは不純物が高濃度に注入された第２の層を形成することができる。さらに、第１の工程及び第２の工程を交互に所定回数繰り返した後に第３の工程として熱処理を行うので、第２の層の不純物が第１の層内に拡散され、不純物濃度の均一なシリコン薄膜を形成することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態のシリコン薄膜の形成方法においてのＣＶＤ装置に流すガス流量の時間推移図である。

また、図２は、ＣＶＤ装置の断面構成図である。
また、図３は、ウェハをセットした支持冶具の斜視図である。
まず、図１を説明する前に図２、図３で示すＣＶＤ装置について説明する。

ＣＶＤ装置１０は、一端（上部）が閉じている外部容器管１１と、外部容器管１１内に設置され、各種ガスを排気可能な開口部を有し内部が反応炉１２ａとなる内部容器管１２と、この内部容器管１２に収納されるウェハ１を支持する支持冶具１３と、外部容器管１１の開口部（下部）を閉じるための蓋１４と、外部容器管１１を収納し、支持冶具１３にセットされたウェハ１を加熱するヒータ１５ａを有する電気炉１５などから構成されている。また、内部容器管１２（反応炉１２ａ）に反応性ガスであるシラン系ガス、ドーピングガス及びキャリアガスを導入するためのガス流入口１６と、外部容器管１１と内部容器管１２の壁面で挟まれた隙間を通して各種ガスを排気するためのガス排気口１７を有する。なお、ガス排気口１７には図示しない真空ポンプが接続されている。

支持冶具１３は、図３のように支持台１３ａと、この支持台１３ａにウェハ１を矢印Ａ方向からセットできるように配置された複数本の支柱１３ｂとこれらの支柱１３ｂを途中で支える支え板１３ｃで構成される。ウェハ間の間隔は４ｍｍ程度である。

このようなＣＶＤ装置１０において、支持冶具１３にウェハ１を多数枚（例えば、５０枚から２００枚）列状に配置し、この支持冶具１３を内部容器管１２に挿入し、外部容器管１１の開口部（下部）に蓋１４をして密封し、外部容器管１１内を減圧雰囲気にする。その後、図１に示すようなスケジュールで各種ガスをガス流入口１６から反応炉１２ａに導入しつつ、反応炉１２ａの上部に流れてきたこれらのガス流を内部容器管１２の壁面と、外部容器管１１の壁面とで挟まれた隙間を通して、ガス排気口１７から図示しない真空ポンプで吸引して排気する。

図１で示すガス流量の時間推移図において、時刻ｔ０からｔ１までは、シラン系ガス、例えばモノシランガス（ＳｉＨ_４）をガス流入口１６から反応炉１２ａに導入して、第１の層であるポリシリコン薄膜を形成する（第１の工程）。この第１の工程では不純物がドープされない（ノンドープの）ポリシリコンを、例えば、３０Å／分以上の速度で成膜するために、炉内の温度を５５０℃、圧力を１００Ｐａにする。

次に、時刻ｔ１からｔ２までの間で、シラン系ガスの流量を実質的に零になるか低流量になるまで下げる。図１では低流量（例えば８０ＳＣＣＭ）に下げる場合について示している。その後、シラン系ガスの流量が安定化する時刻ｔ２からｔ３までの時間（例えば、１〜２秒）だけ待機する。

時刻ｔ３になると、ガス流入口１６から低流量のシラン系ガスのほか、ドーピングガスとして、例えば、フォスフィンガスを反応炉１２ａに導入する。これによって、高い不純物濃度の第２の層を形成する（第２の工程）。この第２の工程では、炉内の圧力を第１の工程の圧力より低くすることで、フォスフィンの平均自由行程が伸び、例えば、４ｍｍ程度のウェハ間にドーピングガスが導入しやすくなる。

なお、通常量産工程で用いられているＣＶＤ装置１０では、可能な減圧状態からドーピングガスが反応炉１２ａ内に充満するのに約１秒程度しかかからない。
不純物濃度は、各ガスを流す時間または流量で制御する。

具体例として不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３のポリシリコン薄膜を形成する場合の製造条件をあげると、モノシランガス（１００％ＳｉＨ_４）を第１の工程では１０００ＳＣＣＭの流量で４０分間、反応炉１２ａに導入し、第２の工程ではキャリアガスのＮ_２で０．８％に希釈したフォスフィンガス（０．８％ＰＨ_３／Ｎ_２）を１００ＳＣＣＭの流量で、モノシランガスを８０ＳＣＣＭの流量でそれぞれ３分間、反応炉１２ａに導入する。これによって、１２００Å程度のノンドープのポリシリコン薄膜が形成され、数Å程度の高濃度の不純物層が形成される。

ここで、不純物濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以下の場合のポリシリコン薄膜を形成する際の第２の工程における圧力の設定について説明する。
標準的な条件として５５０℃、１００Ｐａに設定された反応炉１２ａについて説明する。

なお、実際は、反応炉１２ａの本質的でない形状の差異を補正して、バッチ処理する複数のウェハ１において膜厚分布を１０％以下に抑えるために、温度は５３０℃〜５９０℃に振れる。また、温度の変化に伴って最適反応炉内圧力は２００Ｐａから５０Ｐａに変更することになる。

さて、ドーピングガスのウェハ間への拡散現象を解析すると、その不純物濃度の分布幅は容易に以下の式であらわされることが分かる。
分布幅∝（ｋ／Ｄｗ）^１／２ ……（１）
ここで、ｋは反応速度定数、Ｄは拡散定数であり、ｗはウェハ間間隔である。反応温度が定まっていると、反応速度定数ｋは一定であるから、不純物濃度を均一にする（分布幅を小さくする）には拡散定数Ｄかウェハ間間隔ｗを大きくする必要がある。成膜の生産性を保つためにウェハ間間隔ｗは大きくすることはできないことから、結局、拡散定数Ｄを大きくせざるを得ない。拡散定数Ｄは反応炉１２ａ内の圧力に反比例することが分かっているので、第２の工程時の圧力を低下させてフォスフィンの平均自由行程を長くすればよいことが分かる。

ここで、デバイス特性から要求されるポリシリコン薄膜の電気導電率の分布幅を検討する。圧力１００Ｐａの雰囲気中で、シラン系ガスとドーピングガスを同時に一定量供給して成膜する場合、ポリシリコン薄膜ではそこに含まれる不純物濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以下になると、図１２で示した圧力が１００Ｐａで行った実験結果から分かるように、電気導電率の分布幅は１０％以上と急激に増大し、３×１０^１８ｃｍ^−３では３０％近くに達する。前述したように電気導電率で１０％以上の差が発生すると、例えば、ＭＯＦＦＥＴの最も基本的なパラメータである閾値電圧が約１％も異なってしまうことになる。したがって、電気導電率の分布幅は最大でも１０％に抑えなければならない。電気導電率と不純物濃度の分布幅はほぼ同一の相関関係となることから、（１）式から拡散定数Ｄを１０倍以上にすればよいことが分かる。つまり第２の工程時の反応炉１２ａ内の圧力を、第１の行程における圧力の１／１０以下にすることにより達成できる。すなわち、１００Ｐａ×１／１０＝１０Ｐａ以下の圧力で成膜すればよい。

第２の工程を行った後、時刻ｔ４からｔ５まではドーピングガスの濃度が実質的に零で一定となるように待機（例えば１〜２秒程度）し、時刻ｔ５からシラン系ガスの流量を上げ始め、時刻ｔ６から再び前述した製造条件で第１の層を形成する。

以上のような製造条件で、第１の工程及び第２の行程を形成する膜厚に応じて複数回繰り返す。
図４は、第１及び第２の工程を繰り返すことによって形成した多層薄膜の断面図である。

図のように、第１の工程により形成したノンドープのポリシリコン薄膜１８ａで、第２の工程により形成した不純物のみ、もしくは高い不純物濃度の層１８ｂをサンドイッチ状に積層した構成となっている。

次に、図４のようにして形成した薄膜に対して、例えば、９００℃、１時間の熱処理を行い、不純物のみ、もしくは高い不純物濃度の層１８ｂを熱拡散させることで（第３の工程）、均一な不純物濃度を有したポリシリコン薄膜を形成することができる。

図５は、本発明の実施の形態のシリコン薄膜形成方法により得られたポリシリコン薄膜のウェハ中心電気導電率に対する相対導電率の分布を、リン濃度をパラメータとして示した図である。

横軸は６インチウェハの中心からの距離（ｍｍ）、縦軸は相対導電率であり、ウェハの中心の導電率を１としている。
図５からわかるように、不純物濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３のポリシリコン薄膜では、電気導電率のウェハの中心部と周辺部で、ばらつきを２％以下にすることができ、３×１０^１８ｃｍ^−３では４％以下、１×１０^１７ｃｍ^−３という低い不純物濃度でもばらつきを１０％以下に抑えることができていることが分かる。

なお、上記では、ｎ型の不純物としてリンをあげたがこれに限定されず、同じくｎ型のヒ素（Ａｓ）、もしくはｐ型のボロン（Ｂ）を用いてもよい。
例えば、ヒ素を導入する場合は、ドーピングガスとしてアルシンを用い、ボロンを導入する場合には、ドーピングガスとしてジボランを用いる。

また、シラン系ガスもモノシランガスに限定されず、ジシランを用いるようにしてもよい。

パワーＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の耐圧を上げるために用いられる低い不純物濃度のポリシリコン薄膜を形成する際などに適用できる。

本発明の実施の形態のシリコン薄膜の形成方法においての、ＣＶＤ装置に流すガス流量の時間推移図である。 ＣＶＤ装置の断面構成図である。 ウェハをセットした支持冶具の斜視図である。 第１及び第２の工程を繰り返すことによって形成した多層薄膜の断面図である。 本発明の実施の形態のシリコン薄膜形成方法により得られたポリシリコン薄膜のウェハ中心電気導電率に対する相対導電率の分布をリン濃度をパラメータとして示した図である。 バッチ式の成膜装置による成膜の様子を説明する概略図である。 従来行われているシラン系の反応性ガス（以下シラン系ガスと呼ぶ）と不純物注入用ガス（以下ドーピングガスと呼ぶ）の流量の時間推移を示す図である。 ＣＶＤ装置に導入されるモノシランガス濃度とフォスフィンガス濃度との比に対して、形成されたリンドープポリシリコン薄膜に取り込まれたリン濃度とシリコン量との比を求めた実験結果の図である。 ６インチウェハの平面図及びウェハ中心からの距離Ｘを示す図である。 ポリシリコン薄膜のウェハ中心濃度に対する相対リン濃度の分布を測定した実験結果を示す図である。 ポリシリコン薄膜のリン濃度と電気抵抗率の関係を示す図である。 ポリシリコン薄膜のウェハ中心電気導電率に対する相対導電率の分布をリン濃度をパラメータとして測定したときの実験結果を示す図である。

符号の説明

１ ウェハ
１０ ＣＶＤ装置
１１ 外部容器管
１２ 内部容器管
１２ａ 反応炉
１３ 支持冶具
１４ 蓋
１５ 電気炉
１５ａ ヒータ
１６ ガス流入口
１７ ガス排気口

Claims (9)

1. シリコン薄膜を複数の基板上に同時に形成するシリコン薄膜の形成方法において、
   反応性ガスを反応炉に供給してシリコンのみからなる第１の層を形成する第１の工程と、
   不純物注入用ガスのみまたは前記不純物注入用ガスと前記反応性ガスを同時に前記反応炉に供給して、前記反応炉内の圧力が前記第１の工程時より低い状態を保ちつつ不純物のみの、もしくは前記不純物が高濃度に注入された第２の層を形成する第２の工程と、
   前記第１及び第２の工程を交互に所定回数繰り返した後に熱処理を行い、前記第２の層の前記不純物を前記第１の層内に拡散させる第３の工程と、
   を有することを特徴とするシリコン薄膜の形成方法。
2. 前記第１の工程の後では前記反応性ガスの流量が実質的に零になるか低流量で安定化するまでは、前記第２の工程を開始せず、
   前記第２の工程の後では前記不純物注入用ガスの流量が実質的に零となるまでは前記第１の工程を開始しないようにすることを特徴とする請求項１記載のシリコン薄膜の形成方法。
3. 不純物濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以下の前記シリコン薄膜を形成する場合、前記第１の工程時における前記圧力を２００Ｐａ乃至５０Ｐａとし、前記第２の工程時における前記圧力を１０Ｐａ以下にすることを特徴とする請求項１記載のシリコン薄膜の形成方法。
4. 前記反応性ガスはモノシランであり、前記不純物注入用ガスはフォスフィンであることを特徴とする請求項１記載のシリコン薄膜の形成方法。
5. 前記反応性ガスはジシランであり、前記不純物注入用ガスはフォスフィンであることを特徴とする請求項１記載のシリコン薄膜の形成方法。
6. 前記反応性ガスはモノシランであり、前記不純物注入用ガスはジボランであることを特徴とする請求項１記載のシリコン薄膜の形成方法。
7. 前記反応性ガスはジシランであり、前記不純物注入用ガスはジボランであることを特徴とする請求項１記載のシリコン薄膜の形成方法。
8. 前記反応性ガスはモノシランであり、前記不純物注入用ガスはアルシンであることを特徴とする請求項１記載のシリコン薄膜の形成方法。
9. 前記反応性ガスはジシランであり、前記不純物注入用ガスはアルシンであることを特徴とする請求項１記載のシリコン薄膜の形成方法。

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