JP2006524439A - 高機能粒子構造を有する多結晶膜の堆積方法 - Google Patents

Abstract

多結晶Ｓｉ含有膜の粒子構造を制御するための方法は、最初の段階で堆積される第１の膜層のモフォロジーが、後の段階で堆積される第２の膜層のモフォロジーに有利に作用するような、膜を段階的に堆積するステップを含む。例示する実施形態では、最初の段階は、アニーリングするステップを含む。別の実施形態では、後の段階は、第１の層用とは異なる堆積条件下で第２の層を堆積するステップを含む。

Description

本発明は、多結晶Ｓｉ含有膜を堆積するための方法に関し、より詳しくはそのような膜の粒子構造を制御するための方法に関する。

多結晶シリコン（「ポリシリコン」または単に「ポリ」としても知られる）は、マイクロエレクトロニクス製造産業で広く使用され、「先端的デバイスの主力商品材料」として言われてきた。Ｐ．Ｖａｎ Ｚａｎｔ著の「マイクロチップ製造（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）」、第４版、ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ社、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（２０００）の第３８６ページを参照されたい。たとえば、ポリシリコンは、ＳＲＡＭデバイス中の負荷抵抗、ＥＥＰＲＯＭ中のトレンチ充填剤およびマルチレイヤーポリ、バイポーラデバイス中のコンタクトバリア層およびエミッタ、メモリセルのコンデンサ電極として、ならびにケイ化物金属化スキームの一部分としてＭＯＳゲート中に使用される。通常のポリシリコン堆積プロセスは、１００％シラン、あるいはシランとＮ_２またはＨ_２を含むガス流のいずれかから、６００℃〜６５０℃の範囲内での熱化学気相成長（「熱ＣＶＤ」）法によって行われる。

好ましい実施形態は、多結晶Ｓｉ含有膜を堆積する方法を含み、第１のモフォロジーを有する第１のＳｉ含有層を基板上に堆積するステップと、第１のモフォロジーを変化させるのに有効な期間、第１のＳｉ含有層をアニーリングするステップと、第１のモフォロジーとは異なる多結晶モフォロジーを有する第２のＳｉ含有層を第１のＳｉ含有層上に堆積するステップとを含む。

別の好ましい実施形態は、多結晶Ｓｉ含有膜を堆積する方法を含み、８０％より大きい第１の結晶度を第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層に設けるのに有効な第１の堆積条件下で、第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層を基板上に堆積するステップと、第１の堆積条件とは異なる第２の堆積条件下で、第１の結晶度と少なくとも等しい第２の結晶度を有した第２の多結晶Ｓｉ含有層を、第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層上に堆積するステップとを含み、第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層および第２の多結晶Ｓｉ含有層がともにＳｉ含有膜を形成し、Ｓｉ含有膜は、第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層を用いないことを除き第２の堆積条件を使用して、基板上に堆積されたコンパラブルな膜の多結晶モフォロジーとは異なる多結晶モフォロジーを有する方法である。

本発明のこれらおよび他の態様は、以下の説明および添付の図面（縮尺は合わせていない）から容易に明らかであろう。その説明および図面は、本発明を例示するものであって、限定することを意味しない。

好ましい実施形態は、多結晶Ｓｉ含有膜の堆積を含む。多結晶膜は、アモルファスまたは単結晶の膜とは異なるモフォロジー（morphology）を有する。単結晶モフォロジーは、高次の結晶構造である。たとえば、エピタキシャル膜は、そのエピタキシャル膜がその上で成長した基板の結晶構造の拡張部である結晶構造および配向によって、特徴付けられる単結晶膜である。単結晶膜中の原子は、比較的長い距離（原子の尺度で）にわたって継続した格子状の構造に配列されている。アモルファスのモフォロジーは、原子が一定周期の配列を欠いているので、低次の非結晶構造である。多結晶モフォロジーは、規則正しい結晶の不規則な配列から構成された結晶構造であり、したがって中間の秩序度（degree of order）である。用語「多結晶」は、本明細書で使用するとき、アモルファスおよび結晶体の材料の混合物、たとえばアモルファスおよび多結晶体の材料の混合物を含む。そのような混合物は、体積ベースで混合物中の結晶体材料のパーセントで表現される結晶度を有するものとして特徴付けられ得る。用語「多結晶」が、必ずしも互いに同じでない様々な多結晶モフォロジーを包含することを、上記から当業者には分かるであろう。たとえば、多結晶モフォロジーは、結晶度、多結晶体のサイズおよびその分布および／または粒界などの点で、互いに異なっていてもよい。

一般的に、多結晶Ｓｉ含有膜を堆積するための好ましい方法は、堆積プロセス全体にわたって堆積パラメータが変更されないプロセスと比較して改良された膜を生成するように、膜の堆積の間で１つまたは複数の堆積パラメータを変更するステップを含む。好ましい方法の以下の説明では、いくつかのこれらには限定されない例示の実施形態が、最初に述べられ、そのなかで個々の堆積パラメータが具体的に述べられる。これらの例示の実施形態の説明に続いて、好ましい実施形態に適用可能な一般的な堆積原理が述べられる。

図１に示されたフローチャートによって例示した好ましい実施形態では、第１のモフォロジーを有する第１のＳｉ含有層が、第１ステージ１０５の間に基板上に堆積される。第１のモフォロジーは、アモルファスまたは多結晶であってもよく、好ましくは多結晶である。第２ステージ１１０の間、第１の層のモフォロジーを変更する、たとえばアモルファスのモフォロジーを多結晶に変換する、または多結晶のモフォロジーを変更する（たとえば、粒子サイズを増大させるまたは結晶度を増大させる）条件下で、第１のＳｉ含有層がアニーリングされる。第３ステージ１１５の間、第２のＳｉ含有層が第１のＳｉ含有層上に堆積され、第２のＳｉ含有層は、第１のモフォロジーとは異なる多結晶モフォロジーを有する。第２のＳｉ含有層のモフォロジーは、第２ステージ１１０の間に生成されたその下にある第１の層の変更されたモフォロジーから影響されることが好ましい。説明のために、図１のステージ１０５、１１０および１１５は、別のステップとして示しているが、ステップは、ある程度重なってもよく、たとえばアニーリングステージ１１０は、第１ステージ１０５の間に開始してもよいことを、当業者には理解されるであろう。

好ましい実施形態では、ポリシリコン膜が、図１に示したプロセスによって、図２に示した一連の概略断面図に示されているように基板上に堆積される。図２に、第１ステージ１０５の間に基板２１０上に堆積された第１のポリシリコン層２０５を示す。基板２１０は、堆積されるのに適した表面を有する、ほとんどどのような材料でもよい。適切な基板の、これらには限定されず互いに排他的でない例には、絶縁体、導体、半導体、多結晶材料、非多結晶材料、単結晶材料、非単結晶材料、およびアモルファス材料が含まれる。好ましい基板は、ポリシリコン、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、金属酸化物（たとえば、ＲｕＯ_２、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２など）、金属ケイ酸塩（たとえば、ＲｕＳｉＯ_ｘ、ＨｆＳｉＯ_ｘ、ＺｒＳｉＯ_ｘなど）、金属オキシ窒化物（たとえば、ＲｕＯ_ｘＮ_ｙ、ＨｆＯ_ｘＮ_ｙ、ＺｒＯ_ｘＮ_ｙなど）、窒素がドーピングされた金属ケイ酸塩（たとえば、ＲｕＳｉＯ_ｘＮ_ｙ、ＨｆＳｉＯ_ｘＮ_ｙ、ＺｒＳｉＯ_ｘＮ_ｙなど）、金属（たとえば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔａなど）、および単結晶シリコンからなる群の中から選択される材料を含んだ基板を含む。

例示の実施形態では、基板２１０がＳｉＯ_２であり、以下に述べるように、堆積条件、たとえば供給ガス組成、堆積温度、圧力、供給ガス流量、および／または堆積時間を制御することによって、化学気相成長（ＣＶＤ）プロセス中で制御されることが好ましい多結晶モフォロジーを、第１のポリシリコン層２０５が有する。これらのプロセスパラメータは、個々の層毎に所望の堆積条件を関連付けるために、システム的な形で変更することが好ましい。好ましくは、実験的な設計方法を使用して、様々なプロセス変数およびその組み合わせによる層のモフォロジーへの効果を決定することである。実験的な設計方法は、それ自体周知であり、たとえばＤｏｕｇｌａｓ Ｃ．Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙ著、「実験の設計および解析（Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ）」第２版、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ １９８４を参照されたい。特定のプロセスについて、様々なプロセス変数およびその組み合わせによるモフォロジーおよび結晶の特性への効果が、これらの実験的設計方法によって決定された後、プロセスは、バッチ間またはウェハ間での一貫性を保証するために、コンピュータ制御によって自動化されることが好ましい。

第１のポリシリコン層２０５を堆積するために使用される供給ガスは、シリコン源、すなわち好ましくはシラン、ジシラン、およびトリシランからなる群の中から選択されたシリコン源を、好ましくは全圧の約１×１０^−６％〜約１００％の範囲内、より好ましくは同じ基準で約１×１０^−４％〜約１００％の範囲内にある分圧で含んでいる。供給ガスは、キャリヤガス、すなわち好ましくは水素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、窒素やそれらの混合物を含むこともできる。キャリヤガス流量は、通常、約５標準リットル／分（ｓｌｍ）〜約６０ｓｌｍの範囲内である。アリゾナ州フェニックス（Ｐｈｏｅｎｉｘ、Ａｒｉｚｏｎａ）のＡＳＭ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．製の市販されているＥｐｓｉｌｏｎ（商標）の単一ウェハ、水平ガス流反応炉などの好ましい堆積チャンバでは、供給ガス流量は、通常、約１標準立方センチ／分（ｓｃｃｍ）〜約１，０００ｓｃｃｍの範囲内である。堆積中のＣＶＤチャンバ内の全圧は、約１Ｔｏｒｒ〜約８００Ｔｏｒｒの範囲内が好ましく、約２Ｔｏｒｒ〜約２００Ｔｏｒｒの範囲内がより好ましく、約５Ｔｏｒｒ〜約６０Ｔｏｒｒの範囲内がもっとも好ましい。堆積温度は、好ましくは約６００℃以上であり、より好ましくは約６００℃〜約７５０℃の範囲内である。代替の実施形態（図２に示さず）では第１のシリコン層が、アモルファスであり、約６００℃までの範囲内の温度で、好ましくは約３５０℃〜約６００℃の範囲内の温度で、より好ましくは約４００℃〜約５５０℃の範囲内の温度で堆積される。特定のプロセスについて堆積温度は、ある程度供給ガスの組成に依存する。たとえば、トリシランなどのより熱的に不安定なシリコン源を使用する堆積プロセスは、シランなどのより熱的に安定したシリコン源が使用されるときよりも低い堆積温度で、実施されてもよい。堆積は、第１のポリシリコン層２０５を所望の厚さまで堆積するのに有効な期間、継続される。特定の厚さを達成するための堆積時間は、他の堆積パラメータに依存する。たとえば、より速い堆積速度（したがって、目標の層の厚さを実現する堆積時間がより短い）は、より高い堆積温度、より多い供給ガス流量、および／またはより熱的に不安定なシリコン源（たとえば、トリシラン）の割合をより多く、より熱的に安定したシリコン源（たとえば、シラン）の割合をより少なく含んだ供給ガスを使用して、実現することができる。

図２に、第２ステージ１１０の間に第１のポリシリコン層２０５をアニーリングすることによって得られたポリシリコン層２１５を、さらに示す。アニーリング温度は、第１ステージ１０５の間の堆積温度と同じ、またはそれとは異なっていてもよく、好ましくは約６００℃以上、より好ましくは約６００℃〜約７００℃の範囲内である。第１のポリシリコン層２０５のモフォロジーを変更し、それによってアニーリングされたポリシリコン層２１５を生成するのに有効な期間、アニーリングが継続される。第１のシリコン層がアモルファスである上記に述べた代替の実施形態では、アニーリングは、アモルファスシリコン層をポリシリコン層２１５に変換するのに有効な期間、継続することが好ましい。適切なアニーリング時間は、所望のモフォロジー変化の程度、層の厚さ、およびアニーリング温度に依存して変化し、通常約１０秒間〜約１０分間の範囲内、より好ましくは約２０秒間〜約５分間の範囲内である。アニーリング温度がより高い場合、およびモフォロジー変化の程度がより少ないことを所望するときには、より短いアニーリング時間を使用することができる。これらの指針を使用して所定の実験を行い、特定の堆積プロセスについてアニーリング時間および／または温度を選択することができ、サーマルバジェット（thermal budget）や製造速度などの他のプロセス事情によって選択されることがよくある。第１のポリシリコン層２０５のモフォロジー変化の程度は、たとえばＸ線回折（ＸＲＤ）、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）（平面図または断面図）、および／または原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって測定することができる。

図２に、第３ステージ１１５の間にアニーリングされたポリシリコン層２１５上に堆積された第２のポリシリコン層２２０を、さらに示す。第２のポリシリコン層２２０の堆積は、上記で述べた第１のポリシリコン層２０５の堆積方法と同じ一般的な方法で実施することができる。任意の特定の堆積プロセス中において、第１ステージの間に第１のポリシリコン層２０５を堆積するために使用される様々な堆積パラメータ（たとえば、堆積温度、圧力、供給ガス組成、供給ガス流量や堆積時間）は、それぞれが、第３ステージの間に第２のポリシリコン層２１５を堆積するために使用される、対応する堆積パラメータと同じであってもよく、またはそれぞれがそれらとは異なっていてもよい。たとえば、第３ステージ１１５の間の供給ガス組成および供給ガス流量は、第１の堆積ステージ１０５の間の供給ガス組成および供給ガス流量と同じであってもよく、またはそれらとは異なっていてもよい。好ましい実施形態では、第１ステージ１０５のために使用される供給ガスは、第３ステージ１１５のために使用される供給ガスとは異なる。他の好ましい実施形態では、第３ステージ１１５の間の供給ガス流量が、第１ステージ１０５の間の供給ガス流量とは異なり、好ましくはそれより大きく、この実施形態については、供給ガスがステージ１０５および１１５において共に同じである。同様に、３つのステージ１０５、１１０、および１１５のそれぞれにおける温度および圧力は、他の２つのステージのそれぞれにおける対応する温度および圧力と同じであってもよく、またはそれらと異なっていてもよい。好ましい実施形態では、温度は、第１、第２および第３のステージ１０５、１１０、１１５の間で変えられる。

本発明は、理論に束縛されないが、第２のＳｉ含有層（たとえば、第２のポリシリコン層２２０）のモフォロジーは、第１のＳｉ含有層（たとえば、第１のポリシリコン層２０５）のアニーリングによって第２ステージ１１０の間に生成されるモフォロジーによって、強く影響される、または制御されると考えられる。第２のＳｉ含有層のモフォロジーは、第１ステージ１０５および第２ステージ１１０の間での、第１のＳｉ含有層の堆積およびアニーリングの条件を制御することによって制御される形で、巧みに処理され得る。以下の実施例１〜１２によって、その結果得られた多結晶Ｓｉ含有膜（第１および第２の層を含む単一機能層）が、本明細書中で述べるようなアニーリングステージを使用することによって、そのようなアニーリングステージを含まず実施される他の方法による等価な堆積と比較したとき、より低い堆積温度で得られることを実証する。

第１のＳｉ含有層のアニーリングは、その厚さから影響を受けることが判明している。より厚い層と比較して、より薄いＳｉ含有層は、通常、より迅速にアニーリングされて、より高品質の多結晶層を生成することができる。好ましくは、第１のＳｉ含有層は、厚さが約５００Å以下、より好ましくは約２００Å以下、さらにより好ましくは約１００Å以下である。膜厚は、堆積時間の制御によって制御することができる。トリシランは、薄いＳｉ含有層の堆積には殊に好ましいシリコン源である。というのは、その結果得られた層が、より一様な厚さになりやすく、したがって、好ましい実施形態の薄い膜には殊に向いた、第２のＳｉ含有層をその上に堆積するベースが、より一様に生成されるからである。たとえば、図３に、シリコン源としてシラン、およびゲルマニウム源としてゲルマンを使用して６００℃で堆積された多結晶ＳｉＧｅ膜の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。図３に示すＳｉＧｅ膜の表面粗さ（原子間力顕微鏡で測定）は、１０ミクロン×１０ミクロンの走査領域について２２６Åｒｍｓであった。図４に、シリコン源としてトリシランを使用したことを除いて等価な条件下で堆積された、多結晶ＳｉＧｅ膜の断面のＳＥＭ写真を示す。図４に示すＳｉＧｅ膜の表面粗さ（原子間力顕微鏡で測定）は、１０ミクロン×１０ミクロンの走査領域について１８．４Åｒｍｓであり、このことは、トリシランを使用して堆積された膜が、極めて良好な厚さの一様性を有することを実証している。トリシランを使用することによって、シランなどの従来のシリコン源を使用したときよりも低い堆積温度でより速い堆積も可能になる。トリシランは、第１のＳｉ含有層および／または第２のＳｉ含有層、好ましくは両方の生成のために使用することができる。

図１に示されたフローチャートによって例示した好ましい実施形態は、広範囲にわたる膜厚、たとえば約５０Å〜約１０，０００Åの多結晶膜を堆積するために使用することができるが、厚さが約６００Å以上の多結晶膜の堆積には殊に役立つ。高品質の多結晶Ｓｉ含有膜は、特定のセットの固定された堆積条件（堆積過程中にわたり堆積条件を変更しない）下で多結晶膜を直接堆積することによって、またはアモルファス膜を堆積し、次にアニーリングすることによって堆積することができる。しかし、より厚い膜、たとえば厚さが約６００Åまたはそれより厚い多結晶Ｓｉ含有膜を堆積する場合、固定された堆積条件を使用した直接の堆積による、または比較的厚いアモルファスのＳｉ含有膜をアニーリングすることによる所望のモフォロジーおよび結晶の特性を有した膜の生成は、困難なことがよくある。これまで、厚いアモルファスのＳｉ含有膜のアニーリングによる厚い多結晶膜の生成は、好まれなかった。というのは、所望の結晶特性、たとえば高次のランダムな粒子配向、小さい粒子サイズ、一様な粒子サイズ、および一様な粒子サイズの分布を実現することが困難であったからである。同様に、固定された堆積条件下での直接の堆積には、一般に、たとえば特定の結晶特性の実現とその他の結晶特性の実現との間での、望ましいプロセスパラメータ（速い堆積など）の使用と望ましい結晶特性（小さな粒子サイズなど）の実現との間での、および／または、望ましいプロセスパラメータ（速い堆積など）の使用とその他の望ましいプロセスパラメータ（低い堆積温度など）の使用との間での、不満足なトレードオフが含まれていた。

図１に示すフローチャートによって例示した好ましい実施形態は、この問題に解決策をもたらす。アニーリングされた多結晶Ｓｉ含有層は、第１および第２のステージ１０５および１１０の間において形成される。好ましくは、アニーリングされた多結晶Ｓｉ含有層は、厚さが第２のＳｉ含有層の厚さよりも薄い。たとえば、アニーリングされた多結晶Ｓｉ含有層は、厚さが、好ましくは約５００Å以下、より好ましくは約２００Å以下、さらにより好ましくは約１００Å以下である。アニーリングされた多結晶Ｓｉ含有層は、第３ステージ１１５の間における第２の多結晶Ｓｉ含有層の後続の堆積のために、結晶およびモフォロジーのテンプレートとして機能することが好ましい。生成を促進し、アニーリングステージ１１０の間において失った、堆積時間を取り戻すために、第２の多結晶Ｓｉ含有層は、第３ステージ１１５の間において比較的速い堆積速度で堆積されてもよい。第２の多結晶層の結晶およびモフォロジーの特性は、比較的速い堆積速度で約５００Å以上の厚さに堆積するときでさえ、調整することができる。というのは、その下にある第１の多結晶Ｓｉ含有層が有利に作用するからである。好ましい実施形態では、その結果得られた多結晶Ｓｉ含有膜（第１および第２の層を含む単一機能層）は、厚さが、約６００Å以上、より好ましくは約１，０００Å以上である。第１のＳｉ含有層は比較的薄く、それによって、アニーリング条件の関数として、その最終的な結晶およびモフォロジーの特性についての制御および変化のより大きい自由度が得られることが好ましい。第１のＳｉ含有層の特性は、その厚さに依らず、第２のＳｉ含有層を、所望の結晶学的特性およびモフォロジー特性を保持したまま、比較的速く堆積することもできる。

固定された堆積条件を使用した所定の温度で、膜の結晶度およびその結果得られるモフォロジーを変更することが困難であることは、当業者には分かる。しかし、膜の結晶度およびモフォロジーは、図５に示すフローチャートよって例示するような好ましい実施形態を実施することによって、制御することができることが、このたび判明した。例示した実施形態では、第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層が、第１ステージ５０５の間において基板上に堆積される。８０％よりも大きい、より好ましくは約８５％よりも大きい、第１の多結晶Ｓｉ含有層中の第１の結晶度を生成するのに有効な条件下で、第１の多結晶Ｓｉ含有層が堆積される。より高い結晶度は、所定の温度においてより遅い堆積速度を使用することによって、実現することができる。比較的遅い堆積速度にもかかわらず、第１ステージを実行する合計時間が比較的短くなるように、第１の多結晶Ｓｉ含有層は比較的薄いことが好ましい。第１のＳｉ含有層の厚さは、好ましくは約１０Å〜約５００Åの範囲内に、より好ましくは約２０Å〜約２００Åの範囲内に、もっとも好ましくは約２５Å〜約１００Åの範囲内にあることである。図３および４に例示し、上記で議論したような、改善された一様性の利益を享受するために、特に薄い層の堆積には、供給ガスがトリシランを含むことが好ましい。第１のＳｉ含有テンプレート層のための堆積速度は、通常、シリコン源および堆積温度に強く依存する。たとえば、所定の堆積温度でのより速い堆積速度は、シランではなくトリシランを使用して実現することができる。同様に、所定のシリコン源では、堆積速度は一般に、より温度が高ければより速くなる。堆積速度は、好ましくは約１Å／分〜約２，０００Å／分の範囲内に、より好ましくは約５Å／分〜約５００Å／分の範囲内にあることである。

次に、第１ステージ５０５の間において使用された第１の堆積条件とは異なる第２の堆積条件下で第２ステージ５１０の間において、第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層上に、第２の多結晶Ｓｉ含有層が堆積される。第２ステージの間の堆積速度は、第１ステージの間の堆積速度よりも速くしてもよい。そのようなより速い速度は、第２の層中の結晶度を減少すると予想されるはずだが、両方の層に同じ堆積温度を使用したとき、第２の多結晶Ｓｉ含有層は、第１の結晶度と少なくとも等しい第２の結晶度を有することが、判明している。本発明は、理論に束縛されないが、第２ステージ５１０の間において堆積された第２の多結晶Ｓｉ含有層のモフォロジーおよび結晶の特性が、第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層のモフォロジーおよび結晶の特性よって、強く影響されるまたは制御されると考えられる。好ましい実施形態によれば、第２のＳｉ含有層のモフォロジーおよび結晶の特性は、第１ステージ５０５の間における第１のＳｉ含有テンプレート層の堆積条件（たとえば、堆積速度）を制御することによって制御される形で、巧みに処理することができる。

好ましい実施形態では、第２ステージ５１０の間において用いられる堆積条件を使用して堆積されるが、テンプレート層上には堆積されないコンパラブルな膜とは異なる多結晶モフォロジーを有した単一機能膜を、第１ステージ５０５の間において堆積された第１のテンプレート層および第２ステージ５１０の間において堆積された第２の層は、ともに形成する。「比較対象膜」は、それと比較される膜（たとえば、２つのステージ５０５、５１０の間に堆積された単一膜）とほぼ同じ厚さを有し、固定されたセットの堆積条件下で堆積されるが、テンプレート層上には堆積されない膜である。第２の多結晶Ｓｉ含有層が比較的厚く、したがって、より薄い第１の層を堆積するために使用されるより遅い堆積速度を補償するよりも速い堆積速度を第２ステージ５１０の間において使用して、第２の層を堆積できることが好ましい。それゆえに、その結果得られた膜（第１および第２の層を含む単一機能膜）は好ましくは、第２の堆積条件下であるがテンプレート層がない形で堆積され、且つ／またはコンパラブルな結晶およびモフォロジーの特性を有するが固定された堆積条件下で堆積されたコンパラブルな膜（そのような膜が単一ステップのプロセスでも堆積することができる場合）よりも速く堆積されたコンパラブルな膜と異なる。第２のＳｉ含有層の堆積速度は、好ましくは約２５Å／分以上、より好ましくは約５０Å／分以上、さらにより好ましくは約１００Å／分以上である。第２の層は、好ましくは第１の層よりも少なくとも約１０％速い、より好ましくは少なくとも約２５％速い、さらにより好ましくは少なくとも約５０％速い速度で堆積される。より速い堆積速度にもかかわらず、第２の多結晶Ｓｉ含有層は、好ましくは約８０％よりも大きく、より好ましくは約８５％またはそれよりも大きく、もっとも好ましくは約９０％またはそれよりも大きい結晶度を有する。第２のＳｉ含有層の厚さは、好ましくは約５００Å以上、より好ましくは約１，０００Å以上、もっとも好ましくは約１，５００Å以上である。

好ましい実施形態では、ポリシリコン膜が、図６に示す一連の概略断面図に例示するように、図５に示すプロセスに従って基板上に堆積される。図６に、第１ステージ５０５の間において基板６１０上に堆積される第１のポリシリコン層６０５を示す。例示の実施形態では、第１のポリシリコン層６０５が、比較的遅い堆積速度から生じる多結晶モフォロジーを有する。堆積速度は、堆積温度、圧力、供給ガス組成、および／または供給ガス流量によって、ＣＶＤプロセス中に制御されることが好ましい。堆積温度は、好ましくは約６００℃以上であり、より好ましくは約６００℃〜約７５０℃の範囲内にあり、シリコン源に依存する（上記参照）。より遅い堆積速度は、通常、他の堆積パラメータが一定に保たれているとき、より低い温度で実現される。堆積中のＣＶＤチャンバ内の全圧は、好ましくは約１Ｔｏｒｒ〜約８００Ｔｏｒｒの範囲内にあり、より好ましくは約２Ｔｏｒｒ〜約２００Ｔｏｒｒの範囲内にあり、もっとも好ましくは約５Ｔｏｒｒ〜約６０Ｔｏｒｒの範囲内にある。より遅い堆積速度は、通常、他の堆積パラメータが一定に保たれているとき、より低い堆積圧力で実現される。

第１のポリシリコン層６０５を堆積するために使用される供給ガスは、シリコン源、すなわち好ましくはシラン、ジシラン、およびトリシランからなる群の中から選択されるシリコン源を、好ましくは全圧の約１×１０^−６％〜約１００％の範囲内、より好ましくは同じ基準で約１×１０^−４％〜約１００％の範囲内の分圧で含む。供給ガスは、好ましくは水素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、窒素やそれらの混合であるキャリヤガスを含むこともできる。より低い堆積速度は、通常、他の堆積パラメータが一定に保たれているとき、シリコン源のより低い分圧で実現される。好ましい実施形態では、第１のポリシリコン層６０５の堆積速度は、所定のセットの堆積パラメータについて供給ガス流量を制御することによって、主に制御される。たとえば、アリゾナ州フェニックス（Ｐｈｏｅｎｉｘ、Ａｒｉｚｏｎａ）のＡＳＭ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．製の市販されているＥｐｓｉｌｏｎ（商標）の単一ウェハ、水平ガス流反応炉などの好ましい堆積チャンバでは、堆積中の供給ガス流量は、通常、約１ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍの範囲内にある。前述の指針を使用して、特定の反応炉中で実施される特定の堆積プロセスについて、所定の実験を行って堆積パラメータを選択することができ、サーマルバジェットおよび製造速度などの他のプロセス事情によって選択されることがよくある。

図６に、第２ステージ５１０の間において第１のポリシリコン層６０５上に堆積される第２のポリシリコン層６１５をさらに示す。第１のテンプレート層６０５の結晶度と少なくとも等しい結晶度を有する層６１５を、好ましくは堆積速度を増大させて堆積するために、１つまたは複数の堆積パラメータが操作されることを除き、第１のポリシリコン層６０５の堆積について上記で述べた方法と同じ一般的な方法で、第２のポリシリコン層６１５の堆積を実施することができる。例示の実施形態では、その結果得られた膜（第１および第２の層６０５および６１５を含む）は、コンパラブルな膜とは異なる多結晶モフォロジーを有する。このコンパラブルな膜が第１及び第２の層６０５、６１５の厚さの合計とほぼ等しい厚さを有するように、堆積時間が制御されることを除き、コンパラブルな膜は、テンプレート層上には堆積されないが、他の点では第２の層６１５の堆積に使用される条件と同じ堆積条件下で堆積される。第１のポリシリコン層６０５と比較して第２のポリシリコン層６１５の堆積速度を増大するために、上記で述べた指針に従って、１つまたは複数のパラメータ、たとえば堆積温度、圧力、供給ガス組成、および／または供給ガス流量が操作されることが好ましい。

より好ましくは、第１のポリシリコンテンプレート層６０５および第２のポリシリコン層６１５の堆積中の供給ガス流量を制御することによって、堆積速度が主に制御される。好ましい実施形態では、堆積温度、圧力、および供給ガス組成が、両方の層の堆積全体にわたって比較的一定に保たれるが、温度、圧力、および供給ガス組成は、層毎に変えることもできる。特定の堆積温度、圧力、および供給ガス組成では、８０％よりも大きく、より好ましくは約８５％よりも大きい、第１のポリシリコンテンプレート層６０５中の第１の結晶度を生成するのに有効な比較的低い堆積速度をもたらすように、第１ステージ５０５中の供給ガス流量が選択されることが好ましい。特定のプロセスについての供給ガス流量は、通常、反応炉のサイズおよび／または構成に依存する。たとえば、Ｅｐｓｉｌｏｎ（商標）の単一ウェハ、水平ガス流反応炉などの好ましい堆積チャンバでは、第１のポリシリコンテンプレート層６０５の堆積中の供給ガス流量は、好ましくは約１ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍ、より好ましくは約１ｓｃｃｍ〜約５００ｓｃｃｍの範囲内にある。したがってこの実施形態では、供給ガス流量を増大させて第２のポリシリコン層６１５が堆積される。その結果、堆積速度が増大するにもかかわらず、それによって生成される第２のポリシリコン層６１５中で得られる結晶度が、第１のポリシリコンテンプレート層６０５の結晶度と等しいかまたはそれよりも大きく、好ましくは８０％よりも大きく、より好ましくは約８５％よりも大きい。Ｅｐｓｉｌｏｎ（商標）の単一ウェハ、水平ガス流反応炉などの好ましい堆積チャンバでは、第２のポリシリコン層６１５の堆積中の供給ガス流量が、好ましくは約２５ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍの範囲内である。第１ステージ５０５から第２ステージ５１０への流量変更は、１回のステップでまたは一連の複数回のステップで実施してもよく、あるいは勾配を付けて連続的に線形または非線形の形で変更してもよい。

代替の実施形態では、堆積速度は、第１のポリシリコン層６０５および第２のポリシリコン層６１５の堆積中の温度および圧力を制御することによって、主に制御される。この実施形態の好ましい態様では、供給ガス組成（および任意選択で流量）が両方の層の堆積全体にわたって比較的一定に保たれる。特定の供給ガス組成では、好ましくは８０％よりも大きい、より好ましくは約８５％よりも大きい、第１のポリシリコンテンプレート層６０５中の第１の結晶度を生成するのに有効な比較的遅い堆積速度をもたらすように、第１ステージ５０５中の温度および圧力が選択される。たとえば、第１のポリシリコンテンプレート層６０５の堆積中の圧力と温度の積が、好ましくは約５，０００Ｔｏｒｒ・℃〜約３０，０００Ｔｏｒｒ・℃の範囲内に、より好ましくは約７，０００Ｔｏｒｒ・℃〜約１０，０００Ｔｏｒｒ・℃の範囲内にある。次にこの実施形態では、温度および／または圧力を増大させて、第２のポリシリコン層６１５が堆積される。第２のポリシリコン層６１５の堆積中の圧力と温度との積は、好ましくは少なくとも約４，５００Ｔｏｒｒ・℃であり、より好ましくは少なくとも約５，５００Ｔｏｒｒ・℃であり、さらにより好ましくは少なくとも約７，５００Ｔｏｒｒ・℃である。その結果、得られる堆積速度の増大にもかかわらず、それによって生成される第２のポリシリコン層６１５中で得られる結晶度は、第１のポリシリコンテンプレート層６０５の結晶度と等しいかまたはそれよりも大きく、好ましくは８０％よりも大きく、より好ましくは約８５％よりも大きい。第１ステージ５０５から第２ステージ５１０への圧力および／または温度の変更は、１階のステップで、または一連の複数回のステップで実施してもよく、あるいは勾配を付けて連続的に線形または非線形の形で変更してもよい。

他の好ましい実施形態は、図１および５に例示する実施形態の、供給ガス組成が堆積の過程において変更される変形形態を含む。たとえば、あるステージ、たとえば第１ステージ１０５、５０５中の供給ガス組成が、別のステージ、たとえばそれぞれ第３ステージ１１５または第２ステージ５１０中の供給ガス組成とは異なっていてもよい。供給ガス組成は、特定のステージ内で変更することもできる。供給ガス組成は、段階的にまたは連続する形で変更してもよく、具体的な目標を達成するため、たとえば、所望の厚さ、または所望の結晶およびモフォロジーの特性を有した膜を得るための堆積速度を実現するために、使用することが好ましい。たとえば、好ましい実施形態では、第１のＳｉ含有テンプレート層が、トリシランを含む第１の供給ガスを使用して堆積される。薄膜を堆積するためにトリシランを使用することによって、シランと比較して、６５０℃よりも低い温度で、より一様な層およびより速い堆積速度が得られる。第１の供給ガス中のシリコン源の、より好ましくは少なくとも約５０％、さらにより好ましくは少なくとも約７５％が、総シリコン源重量の重量ベースで、トリシランである。次に、第１の供給ガスとは異なる第２の供給ガスを使用して第１のＳｉ含有層上に、第２のＳｉ含有層が堆積される。好ましい実施形態では、第２の供給ガスは、第１の供給ガス中の量とは異なる量でトリシランを含む。第２の供給ガスは、トリシランとシランとの混合物を含んでもよく、または実質的にトリシランがなくてもよい。

上記で述べた例示の実施形態は、限定するものではなく、当業者による多数の変形形態の実施がそれによって可能になるはずである。好ましい実施形態およびその変形形態に適用可能な堆積原理について以下に述べる。

Ｓｉ含有膜の堆積は、当業者に知られた様々な化学気相成長（ＣＶＤ）法によって適切に実施することができるが、本明細書で教示する改良されたＣＶＤプロセス技術によって堆積を実施したとき、最大の利点が得られる。プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）または熱ＣＶＤを含めたＣＶＤを使用し、ＣＶＤチャンバ内に収容された基板上にＳｉ含有膜を堆積するための、シリコン源を含む供給ガスを利用することによって、開示するプロセスは適切に実施することができる。堆積は、本来どのようなアモルファスまたは結晶体の基板上にも行うことができる。好ましい基板には、ポリシリコン、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、金属酸化物（たとえば、ＲｕＯ_２、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２など）、金属ケイ酸塩（たとえば、ＲｕＳｉＯ_ｘ、ＨｆＳｉＯ_ｘ、ＺｒＳｉＯ_ｘなど）、金属オキシ窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）（たとえば、ＲｕＯ_ｘＮ_ｙ、ＨｆＯ_ｘＮ_ｙ、ＺｒＯ_ｘＮ_ｙなど）、窒素をドープされた金属ケイ酸塩（たとえば、ＲｕＳｉＯ_ｘＮ_ｙ、ＨｆＳｉＯ_ｘＮ_ｙ、ＺｒＳｉＯ_ｘＮ_ｙなど）、金属（たとえば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔａなど）、および単結晶シリコンからなる群の中から選択される材料を含んだ基板が含まれる。適切なマニホールドを使用して供給ガスをＣＶＤチャンバに供給することができる。供給ガスは、キャリヤガス、すなわち好ましくは水素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、窒素などを含むこともできる。使用するバブラー、より好ましくは温度制御されたバブラーによって、トリシランを、トリシラン蒸気を飛沫同伴するためのキャリヤガスとともにチャンバ中に導入するのが好ましい。ＣＶＤチャンバ内のガス流は、水平であることが好ましく、もっとも好ましくは、チャンバが単一ウェハの水平ガス流反応炉であり、好ましくは放射によって加熱されることである。このタイプの適切な反応炉は市販されており、好ましいモデルには、アリゾナ州フェニックス（Ｐｈｏｅｎｉｘ、Ａｒｉｚｏｎａ）のＡＳＭ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．製の市販されているＥｐｓｉｌｏｎ（商標）シリーズの単一ウェハのエピタキシャル反応炉が含まれる。本明細書で述べるプロセスをシャワーヘッド構成などの代替反応炉中で使用することもできるが、一様性および堆積速度を増大させるという利点は、Ｅｐｓｉｌｏｎ（商標）チャンバの水平で単一通過する層状ガス流構成中で、殊に効果的に発揮されることが判明している。

様々な多結晶Ｓｉ含有膜は、ポリシリコン、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、およびそれらがドープされたバージョンを含めて、供給ガスの組成を選択することによって、一般に図１および５で例示した方法によって、製造することができることを、当業者は理解できるであろう。この本文では、「ＳｉＧｅ」、「ＳｉＧｅＣ」、「ＳｉＮ」、および「ＳｉＯＮ」などの用語は、膜が、それで示される元素を含むことを表すために使用される技術用語であり、その元素の相対的な割合を限定もせず、他の元素の存在も排除しないと解釈すべきであることを、当業者は理解できるであろう。したがって、たとえば、「ＳｉＧｅ」膜は、ＳｉおよびＧｅを様々な割合で含んでいてもよく、他の元素、たとえばアンチモン、ホウ素、砒素、およびリンなど電気的に活性なドーパントをも含むことができる。

供給ガスの組成は、所望の１つまたは複数の元素を含むＳｉ含有膜を生成するように、調整することができる。ドープされたポリシリコン、Ｓｉ含有合金、たとえばＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、およびそれらがドープされたバージョンは、所望の化学量有する膜を生成するのに有効な、所定の実験によって決定される量だけのシリコン源および所望の元素源を、供給ガス中に含めることによって、適切に堆積させることができる。その量は、供給ガスおよび／または堆積チャンバ内の気体成分それぞれの分圧を、所定の実験で決定されるように制御することによって、制御することができる。供給ガス組成は、プロセス中の１つのステージ内で、および／またはステージ毎に、連続的にまたは段階的に変更してもよい。

ドープされたポリシリコン、ならびにＳｉ含有合金、およびそれがドープされたバージョンを堆積するために、供給ガスは、シリコン源、ならびにゲルマニウム源、炭素源、ホウ素源、ガリウム源、インジウム源、砒素源、リン源、アンチモン源、窒素源、および酸素源からなる群の中から選択される１つまたは複数の前駆物質を含むことが好ましい。各源の具体的な例には、シリコン源としてシラン、ジシラン、トリシラン、テトラシラン、およびそれらの混合物、ゲルマニウム源としてゲルマン、ジゲルマン、およびトリゲルマン、窒素源としてＮＦ_３、アンモニア、ヒドラジン、窒素原子、およびそれらの混合物、炭素源として様々な炭化水素、およびそれらの混合物、たとえばメタン、エタン、プロパン等、炭素およびシリコンの両方の源としてモノシリルメタン、ジシリルメタン、トリシリルメタン、テトラシリルメタン、およびそれらの混合物、窒素および酸素の両方の源としてＮ_２Ｏ、およびＮＯ、ならびにドーパント源としてアンチモニア、砒素、ホウ素、ガリウム、インジウム、およびリンなど様々なドーパント前駆物質が含まれる。

ＣＶＤチャンバ内の全圧は、約０．００１Ｔｏｒｒ〜約８００Ｔｏｒｒの範囲内にあることが適切であり、好ましくは約０．１Ｔｏｒｒ〜約２００Ｔｏｒｒの範囲内、より好ましくは約１Ｔｏｒｒ〜約８０Ｔｏｒｒの範囲内である。驚くべきことに、本明細書で述べるプロセスは、上記の従来の低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）の圧力範囲（通常ミリＴｏｒｒの範囲内）で実施されたとき、極めて高い一様性が得られる。シリコン源またはその混合物の分圧が、好ましくは全圧の約１×１０^−６％〜約１００％の範囲内にあり、より好ましくは同じ基準で約１×１０^−４％〜約１００％の範囲内にある。他の前駆物質のそれぞれの分圧は、少しでもある場合、通常、全圧の０％〜約５０％の範囲内にあり、前駆物質のタイプおよびその結果得られる膜中に混合される前駆物質中の特定の元素の量に依存する。

シリコン源を使用してＣＶＤによってドーパントをＳｉ含有層中に混合することは、気相ドーパントの前駆物質を使用したその場でのドーピングによって実現することが好ましい。電気的に活性なドーパント用の前駆物質には、ジボラン、重水素を含むジボラン、ホスフィン、砒素蒸気、およびアルシンが含まれる。シリルホスフィン、たとえば（Ｈ_３Ｓｉ）_３−ｘＰＲ_ｘ、およびシリルアルシン、たとえば（Ｈ_３Ｓｉ）_３−ｘＡｓＲ_ｘ、ここでｘ＝０〜２、ならびにＲ_ｘ＝Ｈおよび／またはＤであり、これらは、ドーパントとしてのリンおよび砒素用の好ましい前駆物質である。ＳｂＨ_３、ＳｂＤ_３、およびトリメチルインジウムは、それぞれアンチモンおよびインジウムの好ましい源である。上記で述べたような好ましい膜、すなわち好ましくはホウ素で、リンで、アンチモンで、インジウムで、および砒素でドープされたシリコン、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ならびにＳｉＧｅＣの膜および合金の調整には、そのようなドーパントの前駆物質が有益である。供給ガス中のドーパント前駆物質の通常の濃度は、総供給ガス重量による重量ベースで約１百万分率（ｐｐｍ）〜約１％の範囲とすることができるが、より多いまたはより少ない量が、その結果得られる膜の所望の特性を実現するために、好ましいことが時にはある。好ましいＥｐｓｉｌｏｎ（商標）シリーズの単一ウェハ反応炉では、所望のドーパント濃度およびドーパントガス濃度に依存したキャリヤガス中のドーパント前駆物質の希薄混合物を、約１０〜約２００ｓｃｃｍの範囲の設定ポイントを有した流量制御器を介して反応炉に配給することができる。希薄混合物は、シリコン源（たとえば、トリシラン）および任意のシリコン源キャリヤガスと混合することによって、さらに希薄にすることが好ましい。好ましいＥｐｓｉｌｏｎ（商標）シリーズの反応炉中での堆積のための通常の総流量は、約２０標準リットル／分（ｓｌｍ）〜約１８０ｓｌｍの範囲にあることがよくあり、そのような方法で使用されるドーパント前駆物質の濃度は、通常極めて低い。

（実施例１〜８）
以下の表１に示す堆積条件下で、一連の膜が堆積された。ＳｉＯ_２基板がＥｐｓｉｌｏｎ（商標）Ｅ−２５００反応炉中に配置され、水素流量（２０ｓｌｍ）下で約２０Ｔｏｒｒの圧力において約７５０℃の温度に加熱された。水素およびトリシランを含む供給ガスを、表１に示すように、約２０ｓｃｃｍ（バブラーによって２２℃でトリシランの流量が約０．０３グラム／分）、または約９２ｓｃｃｍ（バブラーによって２２℃でトリシランの流量が約０．１４グラム／分）の第１の流量で約１５秒間反応炉に導入することによって、ポリシリコンの第１の層（約１００Å）が基板上に堆積された。次に、供給ガスを止め、基板が（表１に示すように）７５０℃から約６３０℃または６８０℃に２０Ｔｏｒｒで冷却させられたとき、第１のポリシリコン層が約６０秒間アニーリングされて、第１のポリシリコン層のモフォロジーが変更された。次に、供給ガスを出して、２０ｓｃｃｍ（バブラーによって２２℃で２０ｓｌｍの水素）、または９２ｓｃｃｍ（バブラーによって２２℃で２０ｓｌｍの水素）の第２の流量で、６３０℃または６８０℃、および２０Ｔｏｒｒにおいて表１に示す堆積時間の間、第２のポリシリコン層がアニーリングされたポリシリコン層上に堆積された。その結果得られたポリシリコン膜（アニーリングされた第１のポリシリコン層および第２のポリシリコン層を含む）は、表１に示す値の厚さであった。次に、これらのポリシリコン膜のミクロ構造を図７に示すようにＸＲＤによって測定した。図７に示すＸＲＤスペクトル中の鋭いピークは、６３０℃または６８０℃で堆積されたポリシリコン膜が高度に多結晶化されたミクロ構造を有することを示している。

（実施例９〜１２（比較））
６００℃から７５０℃までの範囲にわたり５０℃刻みで堆積温度を膜と膜の間で変えたことを除き、実施例１〜８で使用された供給ガスと同じ供給ガスを使用して固定された堆積条件（４０Ｔｏｒｒ圧力、９２ｓｃｃｍ供給ガス流量）で、一連のポリシリコン膜が堆積された。次に、その結果得られた膜のミクロ構造が、図８に示すようにＸＲＤによって測定された。その結果は、６００℃および６５０℃（実施例１〜４で使用された６３０℃の堆積温度を挟む）で堆積された膜が、実施例１〜８で得られた膜よりも極めて低く多結晶化されていることを示している。実施例１〜８の６３０℃および６８０℃で得られた高度な多結晶のミクロ構造に近いミクロ構造を有した膜は、極めて高い堆積温度（７００℃および７５０℃）で得られただけであった。

（実施例１３）
ＨｆＯ_２基板をＥｐｓｉｌｏｎ（商標）Ｅ−２５００反応炉中に配置し、窒素流量（１０ｓｌｍ）下で約１０Ｔｏｒｒの圧力において約５７５℃の温度に加熱する。水素およびトリシランを含む供給ガスを、１０ｓｃｃｍ（バブラー）の流量で約３０秒間反応炉に導入することによって、アモルファスシリコンの第１の層（約２０Å）が基板上に堆積される。次に、供給ガスを止め、アモルファスの第１のシリコン層が、約２４０秒間５７５℃および１０Ｔｏｒｒでアニーリングされて、堆積されたままの層のモフォロジーが変更され、それによってアニーリングされたポリシリコン層が形成される。次に、供給ガスを出して、同じ供給ガスを使用するが、９０ｓｃｃｍの流量（バブラー）で５７５℃および２０Ｔｏｒｒにおいて約２分間、第２のポリシリコン層がアニーリングされたポリシリコン層上に堆積される。次に、その結果得られたポリシリコン膜（アニーリングされたポリシリコン層および第２のポリシリコン層を含む）のミクロ構造がＸＲＤによって測定され、アニーリングを実施しない連続的な方法であることを除き、同じ条件下で堆積された制御膜の多結晶度よりも大きい多結晶度を有することが判明した。

（実施例１４（比較））
シランおよびゲルマンを前駆物質として使用して６００℃の温度で（核形成層（nucleation layer）無く）、ＳｉＧｅ含有膜がＳｉＯ_２基板上に堆積された。シラン流量は２０ｓｃｃｍであった。ゲルマンは、水素中への１．５％の混合物として６５ｓｃｃｍで供給された。水素キャリヤガスは２０ｓｌｍの流量で使用され、堆積圧力は８０Ｔｏｒｒであり、堆積は約２０分間行われた。その結果得られたＳｉＧｅ膜の表面粗さ（原子間力顕微鏡で測定したとき）は、１０ミクロン×１０ミクロンの走査領域で２２６Åｒｍｓであった。ＳｉＧｅ膜の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって、図３に示すＳＥＭ写真で実証するように、島状の堆積を表す錐状の小面のある粒子が明らかになった。

（実施例１５）
トリシランがシランの代わりに使用されたことを除き、実施例１４で述べたように６００℃で、ＳｉＧｅ含有膜が堆積された。堆積圧力は４０Ｔｏｒｒであり、水素キャリヤガスの流量は２０ｓｌｍであり、ゲルマンは、水素中の１０％混合物として反応炉に供給された。トリシランは、約７７ｓｃｃｍの流量（バブラーによって２２℃でトリシラン流量が約０．１２グラム／分）で、水素およびトリシランを含有した供給ガスの形で供給され、堆積は約２分間行われた。その結果得られたＳｉＧｅ膜の表面粗さ（原子間力顕微鏡で測定したとき）は、１０ミクロン×１０ミクロンの走査領域で１８．４Åｒｍｓであった。ＳｉＧｅ膜のＳＥＭによって、図４に示すＳＥＭ写真（図３と同じ倍率）で実証するように、極めて一様な表面が明らかになった。

（実施例１６）
Ｓｉ_３Ｎ_４基板をＥｐｓｉｌｏｎ（商標）Ｅ−２５００反応炉中に配置し、窒素流量（２０ｓｌｍ）下で約２０Ｔｏｒｒの圧力において約６５０℃の温度に加熱する。水素およびトリシランを含有する供給ガスを、１０ｓｃｃｍの流量（バブラーによって２２℃でトリシラン流量が約０．０１５グラム／分）で約１５秒間反応炉に導入する第１の堆積条件下で、第１のポリシリコンテンプレート層（約３０Å）が基板上に堆積される。次に、３０秒間の過程にわたって約１００ｓｃｃｍまで勾配を付けて供給ガス流量を増加し、次にその流量をさらに６０秒間維持し、それによって約９００Åの総厚さ（第１の層と第２の層の合計）を有した膜を堆積する第２の堆積条件下で、第２のポリシリコン層が第１のポリシリコン層上に堆積される。次に、その結果得られたポリシリコン膜のミクロ構造（第１のポリシリコン層および第２のポリシリコン層を含む）は、ＸＲＤによって検査される。ＸＲＤスペクトル中のピークのサイズ、数、および強さは、第１のＳｉ含有テンプレート層がない第２の堆積条件（堆積時間を除く）を使用してＳｉ_３Ｎ_４基板に堆積されたコンパラブルな膜（以下の実施例１７参照）とは異なっており、したがってこの膜の多結晶モフォロジーは、比較対象膜のそれとは異なる。

（実施例１７（比較））
約９００Åの膜厚（実施例１６の膜厚とほぼ等しい）を生成するために堆積時間が長いことを除き、第２のポリシリコン層を堆積するための実施例１６で述べた堆積条件を使用して、比較対象膜がＳｉ_３Ｎ_４基板上に堆積される。次に、この比較対象膜のミクロ構造がＸＲＤによって検査される。ＸＲＤスペクトル中のピークのサイズ、数、および強さは、上記の実施例１６で述べた膜のそれらとは異なる。

（実施例１８）
ＳｉＯ_２基板をＥｐｓｉｌｏｎ（商標）Ｅ−２５００反応炉中に配置し、水素流量（１０標準リットル／分）下で約２０Ｔｏｒｒの圧力において約６５０℃の温度に加熱する。水素およびトリシランを含む第１の供給ガスを、最初の流量が１０ｓｃｃｍ（バブラーによって２２℃でトリシラン流量が約０．０１５グラム／分）で、それを２０秒間にわたって勾配を付けて５０ｓｃｃｍまで増加して反応炉に導入することによって、第１のポリシリコン層（約７５Å）が基板上に堆積される。次に、供給ガスを止め、約２０秒間６５０℃で２０Ｔｏｒｒにおいてポリシリコン層がアニーリングされ、ポリシリコン層のモフォロジーおよび結晶構造が変化させられる。次に、水素（２０ｓｌｍ）およびシラン（２００ｓｃｃｍ）を含有する第２の供給ガスを約１分間反応炉に導入し、第２のポリシリコン層を第１の層上に堆積する。次に、その結果得られたポリシリコン膜（アニーリングされたポリシリコン層および第２のポリシリコン層を含む）のミクロ構造およびモフォロジーがＸＲＤおよびＡＦＭによって測定される。その結果得られたポリシリコン膜は、第１の層のアニーリングが省略されたことを除き、同じ条件下で堆積された制御膜の結晶度よりも大きい結晶度を有することが判明する。

（実施例１９）
ＳｉＯ_２基板をＥｐｓｉｌｏｎ（商標）Ｅ−２５００反応炉中に配置し、水素流量（１０標準リットル／分）下で約２０Ｔｏｒｒの圧力において約６５０℃の温度に加熱する。水素およびトリシランを含む第１の供給ガスを、流量が２５ｓｃｃｍ（バブラーによって２２℃でトリシラン流量が約０．０３グラム／分）で反応炉に導入することによって、薄いポリシリコン層（約５０Å）が基板上に堆積される。次に、供給ガスを止め、約３０秒間６５０℃で２０Ｔｏｒｒにおいてポリシリコン層がアニーリングされ、ポリシリコン層のモフォロジーおよび結晶構造を変化させる。次に、水素（２０ｓｌｍ）およびトリシランを含有する第２の供給ガスを、流量４５ｓｃｃｍ（バブラーによって２２℃でトリシラン流量が約０．０６グラム／分）で約２分間反応炉に導入し、第２のポリシリコン層を第１の層上に堆積する。次に、その結果得られたポリシリコン膜（アニーリングされたポリシリコン層および第２のポリシリコン層を含む）のミクロ構造およびモフォロジーがＸＲＤを使用して測定される。ＸＲＤスペクトル中のピークのサイズ、数、および強さは、第１の層のアニーリングが省略されたことを除き、同じ条件下で堆積された比較対象膜のそれらとは異なる。

本発明の範囲から逸脱せず様々な省略、追加、および変更を、上記に述べたプロセスに対して行うことができ、そのような変更および修正がすべて、特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲に含まれることは、当業者に理解されるであろう。

図１は、好ましい堆積プロセスを例示するフローチャートを示す。 図２は、ポリシリコン膜を堆積するための好ましい方法を例示する一連の概略断面図を示す。 図３は、図４に示す顕微鏡写真と同じ倍率の、シランを使用して堆積された膜の顕微鏡写真を示す。 図４は、図３に示す膜と同じ条件下でトリシランを使用して堆積された膜の顕微鏡写真を示す。 図５は、好ましい堆積プロセスを例示するフローチャートを示す。 図６は、ポリシリコン膜を堆積するための好ましい方法を例示する一連の概略断面図を示す。 図７は、好ましい実施形態を実施して得られたポリシリコン膜のＸＲＤスペクトルを示す。 図８は、様々な温度で堆積された一連の制御膜について得られたＸＲＤスペクトルを示す。

Claims (34)

1. 多結晶Ｓｉ含有膜の堆積方法であって、
   第１のモフォロジーを有する第１のＳｉ含有層を基板上に堆積するステップと、
   前記第１のモフォロジーを変更するのに有効な期間、前記第１のＳｉ含有層をアニーリングするステップと、
   前記第１のＳｉ含有層上に、前記第１のモフォロジーとは異なる多結晶モフォロジーを有する第２のＳｉ含有層を堆積するステップと
   を含む方法。
2. 前記第１のＳｉ含有層が約６００℃〜約７００℃の範囲内の温度で堆積される請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のＳｉ含有層をアニーリングするステップが、約６００℃〜約７００℃の範囲内の温度で実施される請求項２に記載の方法。
4. 前記第１のＳｉ含有層が約１Ｔｏｒｒ〜約８００Ｔｏｒｒの範囲内の圧力で堆積される請求項１に記載の方法。
5. 前記第１のＳｉ含有層は前記第２のＳｉ含有層の厚さよりも厚さが薄い請求項１に記載の方法。
6. 前記第１のＳｉ含有層の厚さが約２００Å以下である請求項５に記載の方法。
7. 前記第１のＳｉ含有層を堆積するステップが、トリシランを含む供給ガスを使用して実施される請求項１に記載の方法。
8. 前記第２のＳｉ含有層を堆積するステップが、トリシランを含む供給ガスを使用して実施される請求項７に記載の方法。
9. 前記第１のＳｉ含有層を堆積するステップが、水平流の単一ウェハ反応炉中で実施される請求項７に記載の方法。
10. 前記第１のＳｉ含有層を堆積するステップが、第１の供給ガスを使用して実施され、
    前記第２のＳｉ含有層を堆積するステップが、第２の供給ガスを使用して実施され、
    前記第１の供給ガスが、前記第２の供給ガスとは異なる請求項１に記載の方法。
11. 前記第１の供給ガスが第１のシリコン源を含み、
    前記第２の供給ガスが第２のシリコン源を含み、
    前記第１のシリコン源が前記第２のシリコン源とは異なる請求項１０に記載の方法。
12. 前記アニーリングするステップの期間が、約５秒間〜約１分間の範囲内である請求項１に記載の方法。
13. 前記第１のモフォロジーが多結晶モフォロジーである請求項１に記載の方法。
14. 前記第２のＳｉ含有層が、ポリシリコン、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＮ、およびＳｉＯＮからなる群の中から選択される請求項１に記載の方法。
15. 前記第２のＳｉ含有層が、電気的に活性なドーパントを含む請求項１４に記載の方法。
16. 前記基板が、ポリシリコン、ＳｉＯ_２、および単結晶シリコンからなる群の中から選択された材料を含む請求項１４に記載の方法。
17. 多結晶Ｓｉ含有膜の堆積方法であって、
    ８０％よりも大きい第１の結晶度を第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層に設けるのに有効な第１の堆積条件で、前記第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層を基板上に堆積するステップと、
    前記第１の堆積条件とは異なる第２の堆積条件下で、第２の多結晶Ｓｉ含有層を前記第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層上に堆積し、前記第２の多結晶Ｓｉ含有層が、前記第１の結晶度と少なくとも等しい第２の結晶度を有するステップとを含み、
    前記第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層および前記第２の多結晶Ｓｉ含有層が、Ｓｉ含有膜をともに形成し、
    前記Ｓｉ含有膜が、前記第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層なしで前記第２の堆積条件を使用して前記基板上に堆積された、コンパラブルな膜の多結晶モフォロジーとは異なる多結晶モフォロジーを有する方法。
18. 第１の堆積速度が、約１Å／分〜約２．０００Å／分の範囲内にある請求項１７に記載の方法。
19. 第２の堆積速度が、前記第１の堆積速度よりも少なくとも約１０％速い請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１の堆積条件が、約１ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍの範囲内にある第１の供給ガス流量で第１の供給ガスを供給するステップを含む請求項１７に記載の方法。
21. 前記第２の堆積条件が、前記第１の供給ガス流量よりも速い第２の供給ガス流量で第２の供給ガスを供給するステップを含む請求項２０に記載の方法。
22. 前記第１の供給ガス流量から前記第２の供給ガス流量へ段階的に変化させるステップを含む請求項２１に記載の方法。
23. 前記第１の供給ガス流量から前記第２の供給ガス流量へ連続的に変化させるステップを含む請求項２１に記載の方法。
24. 前記第１の供給ガスおよび前記第２の供給ガスが同じである請求項２１に記載の方法。
25. 前記第１の供給ガスが前記第２の供給ガスとは異なる請求項２１に記載の方法。
26. 前記第１の供給ガスが第１のシリコン源を含み、
    前記第２の供給ガスが第２のシリコン源を含み、
    前記第１のシリコン源が前記第２のシリコン源とは異なる請求項２５に記載の方法。
27. 前記第１の供給ガスがトリシランを含み、
    前記第２の供給ガスがシランを含む請求項２６に記載の方法。
28. 前記第１の供給ガスがトリシランを含む請求項２１に記載の方法。
29. 前記第２の供給ガスがトリシランを含む請求項２８に記載の方法。
30. 前記第１のＳｉ含有層を堆積するステップが、水平流の単一ウェハ反応炉中で実施される請求項２８に記載の方法。
31. 前記第１の供給ガス流量が、約１ｓｃｃｍ〜約５００ｓｃｃｍの範囲内にある請求項３０に記載の方法。
32. 前記第２の多結晶Ｓｉ含有層が、ポリシリコン、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＮ、およびＳｉＯＮからなる群の中から選択される請求項１７に記載の方法。
33. 前記第２の多結晶Ｓｉ含有層が、電気的に活性なドーパントを含む請求項３２に記載の方法。
34. 前記第１の多結晶Ｓｉ含有テンプレート層をアニーリングするステップをさらに含む請求項１７に記載の方法。