JP2023071413A - 多結晶シリコン膜の形成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】大粒径の多結晶シリコン膜を形成できる技術を提供する。【解決手段】本開示の一態様による多結晶シリコン膜の形成方法は、基板の上に島状を有する第１アモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記第１アモルファスシリコン膜を覆う第２アモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記第２アモルファスシリコン膜の上に第３アモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記基板を第１温度に加熱する工程と、を有し、前記第１アモルファスシリコン膜は、前記第２アモルファスシリコン膜よりも低温で結晶化する膜であり、前記第１温度は、前記第２アモルファスシリコン膜よりも前記第１アモルファスシリコン膜が結晶化しやすい温度である。【選択図】図１

Description

本開示は、多結晶シリコン膜の形成方法に関する。
絶縁膜の上に、結晶化の進行を抑制する不純物がドープされたアモルファスシリコン膜と、ノンドープアモルファスシリコン膜とをこの順に積層し、次いで積層されたアモルファスシリコン膜を結晶化させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５－２５５８９４号公報
本開示は、大粒径の多結晶シリコン膜を形成できる技術を提供する。
本開示の一態様による多結晶シリコン膜の形成方法は、基板の上に島状を有する第１アモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記第１アモルファスシリコン膜を覆う第２アモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記第２アモルファスシリコン膜の上に第３アモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記基板を第１温度に加熱する工程と、を有し、前記第１アモルファスシリコン膜は、前記第２アモルファスシリコン膜よりも低温で結晶化する膜であり、前記第１温度は、前記第２アモルファスシリコン膜よりも前記第１アモルファスシリコン膜が結晶化しやすい温度である。
本開示によれば、大粒径の多結晶シリコン膜を形成できる。
実施形態に係る多結晶シリコン膜の形成方法を示すフローチャート 実施形態に係る多結晶シリコン膜の形成方法を示す工程断面図（１） 実施形態に係る多結晶シリコン膜の形成方法を示す工程断面図（２） 実施形態に係る多結晶シリコン膜の形成方法を示す工程断面図（３） 実施形態に係る多結晶シリコン膜の形成方法を示す工程断面図（４） 実施形態に係る多結晶シリコン膜の形成方法を実施する処理装置の一例を示す概略図
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
〔多結晶シリコン膜の形成方法〕
図１～図５を参照し、実施形態に係る多結晶シリコン膜の形成方法について説明する。以下では、基板に形成された絶縁膜の上に多結晶シリコン膜を形成する場合を例に挙げて説明する。
図１に示されるように、実施形態に係る多結晶シリコン膜の形成方法は、第１成膜工程Ｓ１、第２成膜工程Ｓ２、第３成膜工程Ｓ３及び結晶化工程Ｓ４をこの順に行うことを含む。
（第１成膜工程Ｓ１）
第１成膜工程Ｓ１は、図２に示されるように、基板１００の表面に形成された絶縁膜１１０上に島状を有する第１アモルファスシリコン膜１２１を形成することを含む。第１アモルファスシリコン膜１２１は、後述する第２アモルファスシリコン膜１２２よりも低温で結晶化する膜である。第１アモルファスシリコン膜１２１は、基板１００に第１シリコン含有ガスを供給することにより形成される。第１シリコン含有ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ４）を好適に利用できる。第１成膜工程Ｓ１は、第２成膜工程Ｓ２よりも高圧に維持された処理容器内で行われることが好ましい。これにより、第１シリコン含有ガスの熱分解温度を低くできる。例えば、一般に用いられる圧力範囲（例えば、１Ｐａ以上１０００Ｐａ以下）において、モノシランの熱分解温度は４５０℃～５３０℃程度であり、後述する高次シランの一例であるジシランの熱分解温度は３５０℃～４２０℃程度である。そのため、第１成膜工程Ｓ１を第２成膜工程Ｓ２と同じ圧力に維持された処理容器内で行う場合、第１成膜工程Ｓ１の成膜温度は第２成膜工程Ｓ２の成膜温度よりも高い温度に設定される。これに対し、第１成膜工程Ｓ１を第２成膜工程Ｓ２よりも高圧に維持された処理容器内で行うことにより、モノシランの熱分解温度を低下させることができる。例えば、第１成膜工程Ｓ１を１．３ｋＰａ以上１３ｋＰａ以下（１０Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下）の圧力に維持された処理容器内で行うことにより、３５０℃以上４２０℃以下の温度でモノシランを熱分解させることができる。その結果、第１成膜工程Ｓ１と第２成膜工程Ｓ２とを同じ温度で実施できる。第１成膜工程Ｓ１における好適なプロセス条件は以下である。
第１シリコン含有ガス：モノシラン
基板温度：３５０℃以上４２０℃以下
処理容器内の圧力：１．３ｋＰａ以上１３ｋＰａ以下
（第２成膜工程Ｓ２）
第２成膜工程Ｓ２は、図３に示されるように、第１アモルファスシリコン膜１２１を覆う第２アモルファスシリコン膜１２２を形成することを含む。第２アモルファスシリコン膜１２２は、基板１００に第２シリコン含有ガスを供給することにより形成される。第２シリコン含有ガスとしては、一分子中に２つ以上のシリコン（Ｓｉ）を含む高次シランガスを好適に利用できる。高次シランガスは一分子中のシリコンの数が多く、低温で滑らか（スムース）な成膜が行える。そのため、高次シランガスを用いることにより、第２アモルファスシリコン膜１２２が絶縁膜１１０及び第１アモルファスシリコン膜１２１を覆うように形成される。高次シランガスとしては、例えばジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、トリシラン（Ｓｉ３Ｈ８）、テトラシラン（Ｓｉ４Ｈ１０）又はこれら２種以上の混合ガスが挙げられる。第２成膜工程Ｓ２における好適なプロセス条件は以下である。
第２シリコン含有ガス：ジシラン
基板温度：３５０℃以上４２０℃以下
処理容器内の圧力：１Ｐａ以上１０００Ｐａ以下
（第３成膜工程Ｓ３）
第３成膜工程Ｓ３は、図４に示されるように、第２アモルファスシリコン膜１２２上に第３アモルファスシリコン膜１２３を形成することを含む。第３アモルファスシリコン膜１２３は、基板１００に第３シリコン含有ガスを供給することにより形成される。第３シリコン含有ガスとしては、例えばモノシラン、高次シランガス、ハロゲン含有シリコンガス又はこれら２種以上の混合ガスを利用できる。ハロゲン含有シリコンガスとしては、例えばＳｉＦ４、ＳｉＨＦ３、ＳｉＨ２Ｆ２、ＳｉＨ３Ｆ等のフッ素含有シリコンガス、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＨ２Ｃｌ２（ＤＣＳ）、ＳｉＨ３Ｃｌ等の塩素含有シリコンガス、ＳｉＢｒ４、ＳｉＨＢｒ３、ＳｉＨ２Ｂｒ２、ＳｉＨ３Ｂｒ等の臭素含有ガスが挙げられる。第３シリコン含有ガスとしては、成膜レートが大きく、かつ安価であるという観点から、モノシランを好適に利用できる。第３成膜工程Ｓ３は、第２成膜工程Ｓ２と同じ温度で行ってもよく、第２成膜工程Ｓ２と異なる温度で行ってもよい。第３成膜工程Ｓ３における好適なプロセス条件は以下である。
第３シリコン含有ガス：モノシラン
基板温度：４５０℃以上５３０℃以下
処理容器内の圧力：１Ｐａ以上１０００Ｐａ以下
（結晶化工程Ｓ４）
結晶化工程Ｓ４は、基板１００を第１温度に加熱することにより、第１アモルファスシリコン膜１２１、第２アモルファスシリコン膜１２２及び第３アモルファスシリコン膜１２３を結晶化させることにより、多結晶シリコン膜を形成することを含む。第１温度は、第２アモルファスシリコン膜１２２よりも第１アモルファスシリコン膜１２１が結晶化しやすい温度である。この場合、図５に示されるように、島状を有する第１アモルファスシリコン膜１２１を核として第１アモルファスシリコン膜１２１、第２アモルファスシリコン膜１２２及び第３アモルファスシリコン膜１２３の結晶化が進行する。その結果、大粒径の多結晶シリコン膜を形成できる。なお、図５中の参照符号１２４は隣接する単結晶領域の結晶粒界を模式的に図示したものである。例えば、第１成膜工程Ｓ１においてモノシランを利用し、第２成膜工程Ｓ２においてジシランガスを利用する場合、第１温度は５５０℃以上６００℃以下であってよい。結晶化工程Ｓ４は、例えば窒素雰囲気、アルゴン雰囲気等の不活性ガス雰囲気、水素雰囲気等の還元ガス雰囲気で行われる。
以上に説明した実施形態の多結晶シリコン膜の形成方法によれば、まず、基板１００の上に島状を有する第１アモルファスシリコン膜１２１を形成する。次いで、第１アモルファスシリコン膜１２１を覆う第２アモルファスシリコン膜１２２を形成する。次いで、第２アモルファスシリコン膜１２２の上に第３アモルファスシリコン膜１２３を形成する。次いで、基板１００を第１温度に加熱する。また、第１アモルファスシリコン膜１２１は第２アモルファスシリコン膜１２２よりも低温で結晶化する膜であり、第１温度は第２アモルファスシリコン膜１２２よりも第１アモルファスシリコン膜１２１が結晶化しやすい温度である。これにより、島状を有する第１アモルファスシリコン膜１２１を核として第１アモルファスシリコン膜１２１、第２アモルファスシリコン膜１２２及び第３アモルファスシリコン膜１２３の結晶化が進行する。その結果、大粒径の多結晶シリコン膜を形成できる。
〔処理装置〕
図６を参照し、実施形態に係る多結晶シリコン膜の形成方法を実施する処理装置の一例について説明する。処理装置１は、複数の基板に対して一度に処理を行うバッチ式の装置である。基板は、例えば半導体ウエハ（以下単に「ウエハＷ」という。）であってよい。
処理装置１は、処理容器１０、ガス供給部３０、排気部４０、加熱部５０、制御部８０等を有する。
処理容器１０は、内部を減圧可能であり、ウエハＷを収容する。処理容器１０は、下端が開放された有天井の円筒形状の内管１１と、下端が開放されて内管１１の外側を覆う有天井の円筒形状の外管１２とを有する。内管１１及び外管１２は、石英等の耐熱性材料により形成されており、同軸状に配置されて２重管構造となっている。
内管１１の天井は、例えば平坦になっている。内管１１の一側には、その長手方向（上下方向）に沿ってガスノズルを収容する収容部１３が形成されている。収容部１３は、内管１１の側壁の一部を外側へ向けて突出させて形成された凸部１４内の領域である。
収容部１３に対向させて内管１１の反対側の側壁には、その長手方向（上下方向）に沿って矩形状の開口１５が形成されている。
開口１５は、内管１１内のガスを排気できるように形成されたガス排気口である。開口１５の長さは、ウエハボート１６の長さと同じであるか、又は、ウエハボート１６の長さよりも長く上下方向へそれぞれ延びるようにして形成されている。
処理容器１０の下端は、例えばステンレス鋼により形成される円筒形状のマニホールド１７によって支持されている。マニホールド１７の上端にはフランジ１８が形成されており、フランジ１８上に外管１２の下端を設置して支持するようになっている。フランジ１８と外管１２との下端との間にはＯリング等のシール部材１９を介在させて外管１２内を気密状態にしている。
マニホールド１７の上部の内壁には、円環状の支持部２０が設けられており、支持部２０上に内管１１の下端を設置して支持するようになっている。マニホールド１７の下端の開口には、蓋体２１がＯリング等のシール部材２２を介して気密に取り付けられており、処理容器１０の下端の開口、すなわち、マニホールド１７の開口を気密に塞ぐようになっている。蓋体２１は、例えばステンレス鋼により形成される。
蓋体２１の中央部には、磁性流体シール２３を介してウエハボート１６を回転可能に支持する回転軸２４が貫通させて設けられている。回転軸２４の下部は、ボートエレベータよりなる昇降機構２５のアーム２５Ａに回転自在に支持されている。
回転軸２４の上端には回転プレート２６が設けられており、回転プレート２６上に石英製の保温台２７を介してウエハＷを保持するウエハボート１６が載置されるようになっている。従って、昇降機構２５を昇降させることによって蓋体２１とウエハボート１６とは一体として上下動し、ウエハボート１６を処理容器１０内に対して挿脱できるようになっている。ウエハボート１６は、処理容器１０内に収容可能であり、複数（例えば、５０～１５０枚）のウエハＷを上下方向に間隔を有して略水平に保持する。
ガス供給部３０は、前述した第１成膜工程Ｓ１、第２成膜工程Ｓ２及び第３成膜工程Ｓ３において利用する処理ガスを、内管１１内に供給する。処理ガスは、第１シリコン含有ガス、第２シリコン含有ガス、第３シリコン含有ガス、パージガス等を含む。ガス供給部３０は、ガスノズル３１を有する。
ガスノズル３１は、例えば石英製であり、内管１１内にその長手方向に沿って設けられると共に、その基端がＬ字状に屈曲されてマニホールド１７を貫通するようにして支持されている。ガスノズル３１には、その長手方向に沿って複数のガス孔３２が形成されており、ガス孔３２より水平方向に向けて処理ガスを放出する。複数のガス孔３２は、例えばウエハボート１６に支持されるウエハＷの間隔と同じ間隔で配置される。ガスノズル３１には、流量が制御された処理ガスが導入される。
図６では、ガス供給部３０が１つのガスノズル３１を有する場合が示されているが、ガス供給部３０の形態はこれに限定されず、例えばガス供給部３０は複数のガスノズルを有していてもよい。この場合、第１シリコン含有ガスと、第２シリコン含有ガスと、第３シリコン含有ガスと、パージガスとは、同じガスノズルから内管１１内に供給されてもよく、異なるガスノズルから内管１１内に供給されてもよい。
排気部４０は、内管１１内から開口１５を介して排出され、内管１１と外管１２との間の空間Ｐ１を介してガス出口４１から排出されるガスを排気する。ガス出口４１は、マニホールド１７の上部の側壁であって、支持部２０の上方に形成されている。ガス出口４１には、排気通路４２が接続されている。排気通路４２には、圧力調整弁４３及び真空ポンプ４４が順次介設されて、処理容器１０内を排気できるようになっている。
加熱部５０は、外管１２の周囲に設けられている。加熱部５０は、例えばベースプレート２８上に設けられている。加熱部５０は、外管１２を覆うように円筒形状を有する。加熱部５０は、例えば発熱体を含み、処理容器１０内のウエハＷを加熱する。
制御部８０は、処理装置１の各部の動作を制御する。制御部８０は、例えばコンピュータであってよい。処理装置１の各部の動作を行うコンピュータのプログラムは、記憶媒体９０に記憶されている。記憶媒体９０は、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等であってよい。
〔処理装置の動作〕
処理装置１において、実施形態に係る多結晶シリコン膜の形成方法を実施する場合について説明する。以下の多結晶シリコン膜の形成方法は、制御部８０が処理装置１の各部の動作を制御することにより実施される。
まず、複数のウエハＷを搭載したウエハボート１６を処理容器１０内に搬入する。続いて、蓋体２１によりマニホールド１７の下端の開口を閉じることにより処理容器１０内を密閉空間とする。
続いて、第１成膜工程Ｓ１を行う。第１成膜工程Ｓ１では、まず、処理容器１０内を真空引きして第１プロセス圧力に維持すると共に、加熱部５０への供給電力を制御してウエハ温度を第１プロセス温度に上昇させる。第１プロセス圧力は、例えば１．３ｋＰａ以上１３ｋＰａ以下に設定される。第１プロセス温度は、例えば３５０℃以上４２０℃以下に設定される。処理容器１０内が第１プロセス圧力に安定し、かつウエハ温度が第１プロセス温度に安定した後、ウエハボート１６を回転させながら、処理容器１０内に第１シリコン含有ガスとしてモノシランを供給する。これにより、ウエハＷの上に島状を有する第１アモルファスシリコン膜１２１が形成される。ウエハＷの上に島状を有する第１アモルファスシリコン膜１２１が形成された後、処理容器１０内への第１シリコン含有ガスの供給を停止する。なお、ウエハボート１６の回転は継続させる。
続いて、第２成膜工程Ｓ２を行う。第２成膜工程Ｓ２では、まず、処理容器１０内を第１プロセス圧力から第２プロセス圧力に調整すると共に、加熱部５０への供給電力を制御してウエハ温度を第２プロセス温度に調整する。第２プロセス圧力は、例えば１Ｐａ以上１０００Ｐａ以下に設定される。第２プロセス温度は、例えば第１プロセス温度と同じに設定される。これにより、第２成膜工程Ｓ２において温度変更が不要となるため、生産性が向上する。ただし、第２プロセス温度は、第１プロセス温度と異なっていてもよい。処理容器１０内が第２プロセス圧力に安定し、かつウエハ温度が第２プロセス温度に安定した後、ウエハボート１６の回転が継続された状態で、処理容器１０内に第２シリコン含有ガスとしてジシランを供給する。これにより、第１アモルファスシリコン膜１２１を覆う第２アモルファスシリコン膜１２２が形成される。第１アモルファスシリコン膜１２１が第２アモルファスシリコン膜１２２によって完全に覆われた後、処理容器１０内への第２シリコン含有ガスの供給を停止する。なお、ウエハボート１６の回転は継続させる。
続いて、第３成膜工程Ｓ３を行う。第３成膜工程Ｓ３では、まず、処理容器１０内を第２プロセス圧力から第３プロセス圧力に調整すると共に、加熱部５０への供給電力を制御してウエハ温度を第３プロセス温度に調整する。第３プロセス圧力は、例えば１Ｐａ以上１０００Ｐａ以下に設定される。第３プロセス温度は、例えば第２プロセス温度と同じであってもよく、異なっていてもよい。処理容器１０内が第３プロセス圧力に安定し、かつウエハ温度が第３プロセス温度に安定した後、ウエハボート１６の回転が継続された状態で、処理容器１０内に第３シリコン含有ガスとしてモノシランを供給する。これにより、第２アモルファスシリコン膜１２２上に第３アモルファスシリコン膜１２３が形成される。第３アモルファスシリコン膜１２３は、例えば第２アモルファスシリコン膜１２２よりも厚く形成される。所望の膜厚を有する第３アモルファスシリコン膜１２３が形成された後、処理容器１０内への第３シリコン含有ガスの供給を停止する。なお、ウエハボート１６の回転は継続させる。
続いて、結晶化工程Ｓ４を行う。結晶化工程Ｓ４では、まず、処理容器１０内を不活性ガス雰囲気に調整すると共に、加熱部５０への供給電力を制御してウエハ温度を第４プロセス温度に調整する。不活性ガス雰囲気は、例えば窒素雰囲気、アルゴン雰囲気であってよい。また、不活性ガス雰囲気に代えて、水素雰囲気等の還元ガス雰囲気であってもよい。第４プロセス温度は、第２アモルファスシリコン膜１２２よりも第１アモルファスシリコン膜１２１が結晶化しやすい温度、例えば５５０℃以上６００℃以下に設定される。これにより、島状を有する第１アモルファスシリコン膜１２１を核として第１アモルファスシリコン膜１２１、第２アモルファスシリコン膜１２２及び第３アモルファスシリコン膜１２３の結晶化が進行する。その結果、大粒径の多結晶シリコン膜を形成できる。
多結晶シリコン膜が形成された後、処理容器１０内にウエハＷを搬入した手順と逆の手順で処理容器１０内からウエハＷを搬出する。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
上記の実施形態では、処理装置が複数のウエハに対して一度に処理を行うバッチ式の装置である場合を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、処理装置はウエハを１枚ずつ処理する枚葉式の装置であってもよい。
１００ 基板
１２１ 第１アモルファスシリコン膜
１２２ 第２アモルファスシリコン膜
１２３ 第３アモルファスシリコン膜
Ｓ１ 第１成膜工程
Ｓ２ 第２成膜工程
Ｓ３ 第３成膜工程
Ｓ４ 結晶化工程

Claims (7)

  1. 基板の上に島状を有する第１アモルファスシリコン膜を形成する工程と、
    前記第１アモルファスシリコン膜を覆う第２アモルファスシリコン膜を形成する工程と、
    前記第２アモルファスシリコン膜の上に第３アモルファスシリコン膜を形成する工程と、
    前記基板を第１温度に加熱する工程と、
    を有し、
    前記第１アモルファスシリコン膜は、前記第２アモルファスシリコン膜よりも低温で結晶化する膜であり、
    前記第１温度は、前記第２アモルファスシリコン膜よりも前記第１アモルファスシリコン膜が結晶化しやすい温度である、
    多結晶シリコン膜の形成方法。
  2. 前記第１アモルファスシリコン膜は、前記基板にＳｉＨ４ガスを供給することにより形成され、
    前記第２アモルファスシリコン膜は、前記基板に高次シランガスを供給することにより形成される、
    請求項１に記載の多結晶シリコン膜の形成方法。
  3. 前記高次シランガスは、ジシラン、トリシラン、テトラシラン又はこれら２種以上の混合ガスである、
    請求項２に記載の多結晶シリコン膜の形成方法。
  4. 前記第１温度は、５５０℃以上６００℃以下である、
    請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多結晶シリコン膜の形成方法。
  5. 前記第１アモルファスシリコン膜を形成する工程は、前記第２アモルファスシリコン膜を形成する工程よりも高圧に維持された処理容器内で行われる、
    請求項１乃至４のいずれか一項に記載の多結晶シリコン膜の形成方法。
  6. 前記第１アモルファスシリコン膜を形成する工程と前記第２アモルファスシリコン膜を形成する工程とは同じ温度で行われる、
    請求項１乃至５のいずれか一項に記載の多結晶シリコン膜の形成方法。
  7. 前記基板には絶縁膜が形成されており、
    前記第１アモルファスシリコン膜は前記絶縁膜の上に形成される、
    請求項１乃至６のいずれか一項に記載の多結晶シリコン膜の形成方法。
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