JP2690917B2 - 薄膜形成方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
薄膜形成方法及び半導体装置の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は薄膜形成方法に係り、段差急峻部の配線ある
いは電極の低抵抗化を実現し、LSIデバイス製造工程の
簡略化，低温化に好適なリンを含むSi膜を形成する方法
に関する。 〔従来の技術〕 モノシラン（SiH4）の熱分解を用い、低圧化学気相成
長法（LPCVD法）により形成した多結晶シリコン（Si）
膜は、広く半導体装置の電極や配線に利用されている。
LPCVD法で形成した多結晶Si膜はそのままでは抵抗が極
めて大きいため、その後の工程で不純物を周知の熱拡散
法あるいはイオン打込み法により導入し、導電性を得て
いる。尚、この種の薄膜形成方法として関連するものに
は、例えば、ジヤーナル オブ ジ エレクトロケミカ
ル ソサイエテイー127,（1980年）686頁から690頁（J.
Electrochem.Soc.127（1980）pp686−690）が挙げられ
る。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術のうち、多結晶Si膜にイオン打込みを行
なつた場合、急峻な段差側壁部では不純物濃度の不足す
る領域を生じ、電極あるいは配線が充分な導電性を得ら
れない場合があつた。また、打込んだ不純物を拡散，活
性化するためには900℃以上での熱処理が必要であつ
た。 一方、熱拡散法によるリンのドーピングにおいては、
多結晶Si上部にリンを含んだ酸化Si層が形成されるた
め、この酸化Si層を除去する工程が必要であること、高
温，長時間のリンの熱拡散を行なえば急峻な段差側壁部
へもドーピングが可能であるが、多結晶Si膜の下層がSi
基板の場合、基板にまでリンが拡散し、例えばMOSトラ
ンジスタを構成するドレインの不純物分布を乱すといつ
た不都合があつた。 更に、溝型構造キヤパシタにおいて溝内に埋め込まれ
た電極を多結晶Siで形成し、不純物導入をイオン打込み
法にあるいは熱拡散法いずれの方法で行なつた場合も多
結晶Si膜全体に充分な量の不純物を導入することは困難
であつた。 上記の問題点を解決する１つの方法として、リンをド
ーピングしながら多結晶Si膜を形成する方法（in−situ
ドーピング法）がある。すなわち、SiH4とともに不純物
源となるフオスフインPH3）、ジボラン（B2H6），アル
シン（AsH3）等を流し、多結晶Si膜を形成しながら不純
物を導入する方法である。しかし、SiH4とPH3を用いて
リンをドーピングしながら形成した多結晶Si膜は、リン
をドーピングしないで形成した多結晶Si膜に比べ、その
成長速度が１桁以上小さく、量産性に乏しいこと、負数
のSi基板上に同時に形成した場合、膜厚分布が著しく大
きいといつた欠点があつた。 成長速度を増大するためにSiH4のかわりにSi2H6を用
いて多結晶Si膜を形成する方法も試みられてる。しか
し、これまでの技術では、Si2H6とPH3を原料ガスとして
も不純物を活性化するためには900℃〜1000℃といつた
高温の熱処理が必要であり、熱局熱拡散法と同様に基板
Si中への不純物の拡散を防ぐことができない。 また、Si2H6とPH3とを用いて非晶質Si膜を形成する方
法は、米国特許第4,696,702号に開示されているが、膜
形成後の熱処理については何ら記載されていない。 本発明の目的は、上記問題点を解決すべく、生産性及
び制御性に優れ、低温の熱処理で充分な導電性の得られ
るリンを含むSiを膜を形成することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、 原料ガスとしてSi2H6とPH3を用いる 膜形成温度範囲を450℃〜550℃とする 膜形成の圧力範囲を50Pa以下、原料ガスの流量比（PH
3/Si2H6）を５×10-2以下とする これにより達成される。 上記圧力範囲の混合量比が極度に小さくなると、膜の
形成速度が極度に小さくなり実用が困難になるので、実
際に半導体デバイスの形成が可能なように、それぞれの
下限を適宜設定すればよい。 〔作用〕 本発明者は、上記条件によりリンをドーピングしなが
らSi膜を形成することにより、Si膜の成長速度が低下し
ないことウエハ内あるいはウエハ間で均一性のよい膜が
得られること、また膜中の不純物が650℃以上900℃未満
という低温の熱処理で充分に活性化されることを見出し
た。成長速度が低下しない理由は以下のように考えられ
る。 PH3あるいはこれが解離したリンが基板表面（特にSi
表面）に吸着する確率（付着確率）はほぼ１であり、PH
3またはリンは基板表面に容易に吸着して極めて安定な
層を形成する。これに対しSiH4の付着確率はPH3のそれ
に比べかなり小さいた、原料ガスとしてSiH4のPH3を用
い、リンをドーピングしながら多結晶Si膜を形成する場
合、PH3によりSiH4は表面の吸着を阻害され、反応に寄
与することができない。反応に寄与するのは SiH4→SiH2＋H2 …（１） なる反応により生成したシリレン（SiH2）などPH3に吸
着を妨げられない非常に活性な反応種であると考えられ
る。しかし、（１）式の反応の起こる確率は小さいた
め、SiH4を用い、リンをドーピングしながら多結晶Si膜
を形成する場合、第３図に示したように、SiH4に対する
PH3の流量が増大するほど膜の成長速度は減少する。 ところが、SiH4のかわりにSi2H6を用いた場合はSi2H6
は、 Si2H6→SiH4＋SiH2 …（２） のように分解する。（２）式の起こる確率は（１）式に
比べ非常に大きいため、容易にSiH2のような活性種を生
成することが可能である。このためSi2H6とPH3を原料ガ
スとすると、第３図に示した如く、Si2H6に対するPH3の
流量が増加しても膜の成長速度が減少することがない。 なお、第３図中のエラーバーは成長速度のウエハ間の
ばらつきを示したものである。SiH4を原料ガスとして用
いた場合のウエハ間の膜厚のばらつきが±10％以上であ
るのに対し、Si2H6を原料ガスとした場合はばらつきが
±６％以下であり、SiH4のかわりにSi2H6を用いること
により、ウエハ間の膜厚均一性が向上することがわか
る。 次に膜中の不純物の活性化については以下のように考
えられる。SiH4に比べSi2H6は低温で分解しやすいた
め、Si2H6を原料ガスとして用いることによりSiH4を用
いた場合よりも低い温度で、リンをドーピングしながら
Si膜を形成することが可能である。575℃以下で形成し
た膜はそのままでは非晶質状態であり、特定の結晶構造
を有せず、かつ極めて平滑な表面が得られる。 多結晶Siに不純物を導入した場合、既に結晶格子を形
成し、その格子点にあるSi原子を不純物原子が置換する
ためには大きなエネルギーが必要であり、不純物の活性
化のためには900℃以上の高温の熱処理を要する。しか
し、本発明のように、Si原子とＰ原子が非晶質状態で存
在している場合には、Siが結晶格子を組む際にＰ原子を
その格子点に取り込むため、非晶質が結晶化する程度の
温度の熱処理により、容易に不純物を活性化することが
可能であると考えられる。 多結晶Si膜に熱拡散法あるいはイオン打込み法により
リンをドーピングした場合、また、リンをドーピングし
ながら多結晶のSi膜を形成した場合には、結晶粒は900
℃以上の熱処理を行なわないと成長しないことは公知の
事実である。しかしながら、本発明者は、リンをドーピ
ングしながら非晶質状態のSi膜を形成した場合には、65
0℃程度の熱処理によりSi膜が多結晶化した段階で既に
巨大な結晶粒が生成することを見出した。 以上述べたように、Si2H6とPH3を原料ガスとしてリン
をドーピングしながら非晶質状態でSi膜を形成すると、
650℃の程度の熱処理により膜中の不純物の活性化と結
晶粒の成長が完了する。このため従来法のような高温の
熱処理を行なわなくても充分に抵抗の低いリンを含むSi
膜が得られる。従つて、不純物の下層Si層への拡散や界
面への偏析を防ぐことができる。 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を説明する。 実施例１ 第４図に実験に用いた装置の概略図を示す。本装置の
石英管10の内径は180mmであり、石英管中央に治具40を
置き、これに18mmの間隔で直径160mmの石英製ウエハホ
ルダ50を立てた。このホルダに試料基板60を装着した。
基板にはSi上に熱酸化膜100nmを形成したものを用い
た。 基板60を装着し、石英管内を排気した後、バルブ70及
びバルブ80を空けて、Si2H6を50cc/min,PH3を1cc/min同
時に流した。Si2H6とPH3を流している間の石英管内圧力
30Paに保持した。所定時間ガスを導入して膜形成を行な
つた後、試料を取り出した。その後、650℃,800℃,900
℃,1000℃のN2雰囲気中で20分間熱処理を行なつた後、
比抵抗を四探針法により、また、キヤリア濃度と移動度
をフアン・デル・パウ法を用いたホール測定により評価
した。 第１図は、横軸に膜形成温度，縦軸に膜の比抵抗をと
つたものである。いずれの膜形成温度及び膜形成後の熱
処理温度においても充分な導電性が得られている。第１
図より、膜形成温度が550℃以下では、比抵抗は熱処理
温度に依存していない。 第２図は、横軸に膜形成温度，左縦軸に膜中のキヤリ
ア濃度，右縦軸に膜中のキヤリアの移動度をとつたもの
である。第１図の比抵抗と同様、550℃以下の膜形成温
度では、キヤリア濃度，移動度は膜形成後の熱処理温度
に依存していない。 第１図及び第２図から、550℃以下でリンをドーピン
グしながら形成したSi膜は650℃という低温の熱処理で
活性化が完了し、それ以上の高温の熱処理を行なつても
膜の構造ならびに特性の変化しないことがわかる。 比較のため、従来法であるSiH4とPH3を原料ガスとし
て用い、石英管内温度を630℃，圧力を80Paに維持してS
iH4を200cc/min,PH3を1cc/min流してリンをドーピング
しながら多結晶Si膜を形成した。続いてSi2H6を用いた
場合と同様の温度のN2雰囲気中で熱処理した後、比抵
抗，キヤリア濃度，移動度を測定した。650℃の熱処理
後の比抵抗，キヤリア濃度，移動度はそれぞれ1.1×10
-2Ωcm,7.2×1019cm-3,6.5cm2/V・S,800℃の熱処理後は
1.8×10-3Ωcm,1.2×1020Ωcm-3,12.2cm2/V・S,900℃の
熱処理後は8.4×10-4Ωcm,2.6×1020Ωcm-3,28.8cm2/V
・S,1000℃の熱処理後は8.0×10-4Ωcm,2.8×1020cm-3,
29.1cm2/V・Ｓであり、活性化のためには900℃以上の熱
処理を要した。尚、多結晶Si膜にリンを熱拡散あるいは
イオン打込みした場合、不純物の活性化のためには900
℃程度以上の熱処理が必要なことは公知の事実である。 本実施例によれば、原料ガスとしてSi2H6とPH3を用い
て550℃以下の温度でリンをドーピングしながらSi膜を
形成することにより、SiH4とPH3を原料ガスとしてリン
をドーピングしながら多結晶Si膜を形成した場合、ある
いは多結晶Si膜にリンを熱拡散法やイオン打込み法でド
ーピングした場合よりもはるかに低温（650℃程度）の
熱処理で不純物を活性化できるという効果がある。 また、膜形成後の熱処理温度が変動しても膜の比抵抗
が変化しないという効果がある。 更に、550℃以下の膜形成温度ではキヤリアの移動度
が30cm2/V・Ｓ以上と大きいため、小さな不純物濃度で
も充分な導電性を得ることが可能であり、下地Si基板へ
の不純物の拡散量を低減できるという効果もある。 実施例２ 本実施例では、急峻な段差部の配線に多結晶Siを用い
た場合、不純物の導入法により配線抵抗がどの程度異な
るかを測定した例について述べる。 第５図に示す手順で試料１〜３を作成した。まずSi基
板101に厚さ１μｍの熱酸化膜102を形成した（第５図
（ａ））。次いで周知のリソグラフイとドライエツチン
グ法により幅0.8μｍの溝103を等間隔になるように形成
した（第５図（ｂ））。続いてLPCVD法で酸化Si膜104を
100nm形成した（第５図（ｃ））。次いで以下の方法でS
i膜形成及び不純物ドーピングを行なつた。試料１ではS
i2H650cc/minとPH31cc/minを石英管内温度525℃，圧力3
0Paで同時に流し、リンをドーピングしながら200nmのSi
膜を形成した。試料２及び試料３についてはSiH4を原料
ガスとし630℃で200nmの多結晶Si膜を形成した後、試料
２についてはリンイオンを打込みエネルギー800KeV,打
込み量５×1015cm-2で打込んだ。試料３については875
℃で20分間リン拡散を行なつた。続いて試料１は650
℃，試料２及び試料３は900℃のN2雰囲気で60分間熱処
理を行なつた。 試料１の多結晶Si膜の平坦部におけるシート抵抗は35
Ω／□であり、段差10個を横切る幅0.8μｍの配線抵抗
は1.6kΩで充分な導電性が得られらた。試料２の多結晶
Si膜の平坦部におけるシート抵抗は90Ω／□であつた
が、段差10個を横切る幅0.8μｍの配線の抵抗は100kΩ
と非常に高抵抗であつた。試料３については、多結晶Si
膜の平坦部におけるシート抵抗は74Ω／□，段差10個を
横切る幅0.8μｍの配線の抵抗は4.5kΩであつた。 本実施例によれば、リンをドーピングしながらSi膜を
形成することにより、イオン打込み法や熱拡散法に比べ
急峻な段差部分の配線抵抗を大幅に低減できる効果があ
る。 実施例３ 本実施例では、不純物ドーピング法の違いが基板Si中
への不純物の拡散深さに与える影響を測定した例につい
て述べる。 第５図（ｂ）に示した基板を試料として用いた。試料
４は基板上に、石英管内温度525℃，圧力30PaでSi2H650
cc/min,PH31cc/minを同時に流し、リンを含むSi膜を形
成した後、650℃のN2雰囲気中で60分間熱処理し、基板
にリンを拡散した。試料５は石英管内温度630℃でSiH4
を原料ガスとして基板上に200nmの多結晶Si膜を形成し
た後、875℃で20分間リン拡散を行ない、続いて900℃の
N2雰囲気中で60分間熱処理を行なつた。 N2雰囲気中で熱処理した試料４及び５は溝と垂直な平
面に沿つて劈開し、フツ酸・硝酸混合溶液でエツチング
した後、断面を走査型電子顕微鏡で観察し、第５図
（ｄ）の拡散層幅ｘを拡散深さとして評価した。 試料５の拡散深さが0.3μｍと大きな値を示したのに
対し、試料４の拡散深さは0.01μｍ以下と無視できる程
小さかつた。 本実施例によれば、原料ガスとしてSi2H6とPH3を用
い、リンをドーピングしながらSi膜を非晶質状態で形成
することにより、活性化のための熱処理が大幅に低温化
できるので、基板中への不純物の拡散深さを無視できる
ほど小さくできるという効果がある。 実施例４ 本実施例では、Si膜の形成方法と膜表面の凹凸の関係
について測定した例について述べる。 実施例３で走査型電子顕微鏡により断面を観察した試
料４及び５について、Si表面の凹凸を同じく走査型電子
顕微鏡により観察した。 Si2H6,PH3を用いて非晶質状態で形成したSi膜（試料
４）の表面は、５万倍の倍率でも凹凸は全く観察され
ず、極めて平滑であつた。これに対し、多結晶Si膜形成
後リン拡散を行なつた試料５の表面には0.125μｍ程度
の凹凸が観察された。尚、試料４及び５の表面状態は熱
処理を行なつても変化しなかつた。 試料４では525℃でSi膜を形成したが、膜形成温度は5
75℃以下であれば平滑な表面を得ることができる。Si2H
6のかわりにSiH4を原料ガスとして用い、630℃でリンを
ドーピングしながら形成した多結晶Si膜の表面では0.05
μｍ程度の細かい凹凸が観察された。 本実施例によれば、原料ガスとしてSi2H6とPH3を用
い、リンをドーピングしながら非晶質状態でSi膜を形成
することにより、極めて平滑なSi表面を得られる効果が
ある。 SiH4を用いて形成した多結晶Siに熱拡散法によりリン
のドーピングを行なつた多結晶Siの熱酸化膜の耐圧は約
3MV/cm以下と小さかつたが、Si2H6,PH3を原料ガスと
し、リンをドーピングしながら形成したSiの熱酸化膜の
耐圧は6MV/cmと多結晶Siの熱酸化膜と同等の極めて良好
な値が得られた。 上記の実施例１ないし実施例４では条件を限定して実
験を行なつた。石英管内の温度が450℃より低い場合に
は膜の成長速度が1nm/min以下と極めて小さくなり、ス
リープツトの低さという点で実験のLSIデバイス製造に
適さない。石英管内温度が550℃より大きい場合には、
第１図あるいは第２図に示した如く、熱処理温度により
膜の比抵抗，キヤリア濃度，移動度が大きく変化するた
め、制御性が悪くなる。石英管内圧力が50Paより大きく
なると、ウエハ間へのガスの流入が悪くなる結果、膜の
成長速度が著しく低下する。PH3とSi2H6の流量比（PH3/
Si2H6）が５×10-2程度でシート抵抗は飽和に達するた
め、PH3/Si2H6を５×10-2より大きくすることは膜中の
不活性な不純物の濃度を増すこととなり好ましくない。
石英管内温度が450℃から550℃，圧力50Pa以下,PH3とSi
2H6の流量比（PH3/Si2H6）が５×10-2以下の条件範囲内
であれば、いずれの実施例においても所望の効果を得る
ことができる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、膜厚方向で均一な不純物分布を有す
るリンを含むSi膜を形成することができる。このSi膜中
の不純物は、従来法よりはるかに低い温度の熱処理で活
性化することが可能なので、基板の不純物分布を乱すこ
となく急峻な段差の側壁部を深い溝内の多結晶Si膜へ不
純物をドーピングすることができ、電極，配線の低抵抗
化が図れる。また、本発明によれば、従来頬に比べウエ
ハ間の膜厚均一性を向上することが可能である。 更にLSIデバイスの製造において大幅な工程の簡略
化，低温化を図ることができ、歩留りの向上，生産コス
トの低減にも大きな効果がある。
いは電極の低抵抗化を実現し、LSIデバイス製造工程の
簡略化，低温化に好適なリンを含むSi膜を形成する方法
に関する。 〔従来の技術〕 モノシラン（SiH4）の熱分解を用い、低圧化学気相成
長法（LPCVD法）により形成した多結晶シリコン（Si）
膜は、広く半導体装置の電極や配線に利用されている。
LPCVD法で形成した多結晶Si膜はそのままでは抵抗が極
めて大きいため、その後の工程で不純物を周知の熱拡散
法あるいはイオン打込み法により導入し、導電性を得て
いる。尚、この種の薄膜形成方法として関連するものに
は、例えば、ジヤーナル オブ ジ エレクトロケミカ
ル ソサイエテイー127,（1980年）686頁から690頁（J.
Electrochem.Soc.127（1980）pp686−690）が挙げられ
る。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術のうち、多結晶Si膜にイオン打込みを行
なつた場合、急峻な段差側壁部では不純物濃度の不足す
る領域を生じ、電極あるいは配線が充分な導電性を得ら
れない場合があつた。また、打込んだ不純物を拡散，活
性化するためには900℃以上での熱処理が必要であつ
た。 一方、熱拡散法によるリンのドーピングにおいては、
多結晶Si上部にリンを含んだ酸化Si層が形成されるた
め、この酸化Si層を除去する工程が必要であること、高
温，長時間のリンの熱拡散を行なえば急峻な段差側壁部
へもドーピングが可能であるが、多結晶Si膜の下層がSi
基板の場合、基板にまでリンが拡散し、例えばMOSトラ
ンジスタを構成するドレインの不純物分布を乱すといつ
た不都合があつた。 更に、溝型構造キヤパシタにおいて溝内に埋め込まれ
た電極を多結晶Siで形成し、不純物導入をイオン打込み
法にあるいは熱拡散法いずれの方法で行なつた場合も多
結晶Si膜全体に充分な量の不純物を導入することは困難
であつた。 上記の問題点を解決する１つの方法として、リンをド
ーピングしながら多結晶Si膜を形成する方法（in−situ
ドーピング法）がある。すなわち、SiH4とともに不純物
源となるフオスフインPH3）、ジボラン（B2H6），アル
シン（AsH3）等を流し、多結晶Si膜を形成しながら不純
物を導入する方法である。しかし、SiH4とPH3を用いて
リンをドーピングしながら形成した多結晶Si膜は、リン
をドーピングしないで形成した多結晶Si膜に比べ、その
成長速度が１桁以上小さく、量産性に乏しいこと、負数
のSi基板上に同時に形成した場合、膜厚分布が著しく大
きいといつた欠点があつた。 成長速度を増大するためにSiH4のかわりにSi2H6を用
いて多結晶Si膜を形成する方法も試みられてる。しか
し、これまでの技術では、Si2H6とPH3を原料ガスとして
も不純物を活性化するためには900℃〜1000℃といつた
高温の熱処理が必要であり、熱局熱拡散法と同様に基板
Si中への不純物の拡散を防ぐことができない。 また、Si2H6とPH3とを用いて非晶質Si膜を形成する方
法は、米国特許第4,696,702号に開示されているが、膜
形成後の熱処理については何ら記載されていない。 本発明の目的は、上記問題点を解決すべく、生産性及
び制御性に優れ、低温の熱処理で充分な導電性の得られ
るリンを含むSiを膜を形成することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、 原料ガスとしてSi2H6とPH3を用いる 膜形成温度範囲を450℃〜550℃とする 膜形成の圧力範囲を50Pa以下、原料ガスの流量比（PH
3/Si2H6）を５×10-2以下とする これにより達成される。 上記圧力範囲の混合量比が極度に小さくなると、膜の
形成速度が極度に小さくなり実用が困難になるので、実
際に半導体デバイスの形成が可能なように、それぞれの
下限を適宜設定すればよい。 〔作用〕 本発明者は、上記条件によりリンをドーピングしなが
らSi膜を形成することにより、Si膜の成長速度が低下し
ないことウエハ内あるいはウエハ間で均一性のよい膜が
得られること、また膜中の不純物が650℃以上900℃未満
という低温の熱処理で充分に活性化されることを見出し
た。成長速度が低下しない理由は以下のように考えられ
る。 PH3あるいはこれが解離したリンが基板表面（特にSi
表面）に吸着する確率（付着確率）はほぼ１であり、PH
3またはリンは基板表面に容易に吸着して極めて安定な
層を形成する。これに対しSiH4の付着確率はPH3のそれ
に比べかなり小さいた、原料ガスとしてSiH4のPH3を用
い、リンをドーピングしながら多結晶Si膜を形成する場
合、PH3によりSiH4は表面の吸着を阻害され、反応に寄
与することができない。反応に寄与するのは SiH4→SiH2＋H2 …（１） なる反応により生成したシリレン（SiH2）などPH3に吸
着を妨げられない非常に活性な反応種であると考えられ
る。しかし、（１）式の反応の起こる確率は小さいた
め、SiH4を用い、リンをドーピングしながら多結晶Si膜
を形成する場合、第３図に示したように、SiH4に対する
PH3の流量が増大するほど膜の成長速度は減少する。 ところが、SiH4のかわりにSi2H6を用いた場合はSi2H6
は、 Si2H6→SiH4＋SiH2 …（２） のように分解する。（２）式の起こる確率は（１）式に
比べ非常に大きいため、容易にSiH2のような活性種を生
成することが可能である。このためSi2H6とPH3を原料ガ
スとすると、第３図に示した如く、Si2H6に対するPH3の
流量が増加しても膜の成長速度が減少することがない。 なお、第３図中のエラーバーは成長速度のウエハ間の
ばらつきを示したものである。SiH4を原料ガスとして用
いた場合のウエハ間の膜厚のばらつきが±10％以上であ
るのに対し、Si2H6を原料ガスとした場合はばらつきが
±６％以下であり、SiH4のかわりにSi2H6を用いること
により、ウエハ間の膜厚均一性が向上することがわか
る。 次に膜中の不純物の活性化については以下のように考
えられる。SiH4に比べSi2H6は低温で分解しやすいた
め、Si2H6を原料ガスとして用いることによりSiH4を用
いた場合よりも低い温度で、リンをドーピングしながら
Si膜を形成することが可能である。575℃以下で形成し
た膜はそのままでは非晶質状態であり、特定の結晶構造
を有せず、かつ極めて平滑な表面が得られる。 多結晶Siに不純物を導入した場合、既に結晶格子を形
成し、その格子点にあるSi原子を不純物原子が置換する
ためには大きなエネルギーが必要であり、不純物の活性
化のためには900℃以上の高温の熱処理を要する。しか
し、本発明のように、Si原子とＰ原子が非晶質状態で存
在している場合には、Siが結晶格子を組む際にＰ原子を
その格子点に取り込むため、非晶質が結晶化する程度の
温度の熱処理により、容易に不純物を活性化することが
可能であると考えられる。 多結晶Si膜に熱拡散法あるいはイオン打込み法により
リンをドーピングした場合、また、リンをドーピングし
ながら多結晶のSi膜を形成した場合には、結晶粒は900
℃以上の熱処理を行なわないと成長しないことは公知の
事実である。しかしながら、本発明者は、リンをドーピ
ングしながら非晶質状態のSi膜を形成した場合には、65
0℃程度の熱処理によりSi膜が多結晶化した段階で既に
巨大な結晶粒が生成することを見出した。 以上述べたように、Si2H6とPH3を原料ガスとしてリン
をドーピングしながら非晶質状態でSi膜を形成すると、
650℃の程度の熱処理により膜中の不純物の活性化と結
晶粒の成長が完了する。このため従来法のような高温の
熱処理を行なわなくても充分に抵抗の低いリンを含むSi
膜が得られる。従つて、不純物の下層Si層への拡散や界
面への偏析を防ぐことができる。 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を説明する。 実施例１ 第４図に実験に用いた装置の概略図を示す。本装置の
石英管10の内径は180mmであり、石英管中央に治具40を
置き、これに18mmの間隔で直径160mmの石英製ウエハホ
ルダ50を立てた。このホルダに試料基板60を装着した。
基板にはSi上に熱酸化膜100nmを形成したものを用い
た。 基板60を装着し、石英管内を排気した後、バルブ70及
びバルブ80を空けて、Si2H6を50cc/min,PH3を1cc/min同
時に流した。Si2H6とPH3を流している間の石英管内圧力
30Paに保持した。所定時間ガスを導入して膜形成を行な
つた後、試料を取り出した。その後、650℃,800℃,900
℃,1000℃のN2雰囲気中で20分間熱処理を行なつた後、
比抵抗を四探針法により、また、キヤリア濃度と移動度
をフアン・デル・パウ法を用いたホール測定により評価
した。 第１図は、横軸に膜形成温度，縦軸に膜の比抵抗をと
つたものである。いずれの膜形成温度及び膜形成後の熱
処理温度においても充分な導電性が得られている。第１
図より、膜形成温度が550℃以下では、比抵抗は熱処理
温度に依存していない。 第２図は、横軸に膜形成温度，左縦軸に膜中のキヤリ
ア濃度，右縦軸に膜中のキヤリアの移動度をとつたもの
である。第１図の比抵抗と同様、550℃以下の膜形成温
度では、キヤリア濃度，移動度は膜形成後の熱処理温度
に依存していない。 第１図及び第２図から、550℃以下でリンをドーピン
グしながら形成したSi膜は650℃という低温の熱処理で
活性化が完了し、それ以上の高温の熱処理を行なつても
膜の構造ならびに特性の変化しないことがわかる。 比較のため、従来法であるSiH4とPH3を原料ガスとし
て用い、石英管内温度を630℃，圧力を80Paに維持してS
iH4を200cc/min,PH3を1cc/min流してリンをドーピング
しながら多結晶Si膜を形成した。続いてSi2H6を用いた
場合と同様の温度のN2雰囲気中で熱処理した後、比抵
抗，キヤリア濃度，移動度を測定した。650℃の熱処理
後の比抵抗，キヤリア濃度，移動度はそれぞれ1.1×10
-2Ωcm,7.2×1019cm-3,6.5cm2/V・S,800℃の熱処理後は
1.8×10-3Ωcm,1.2×1020Ωcm-3,12.2cm2/V・S,900℃の
熱処理後は8.4×10-4Ωcm,2.6×1020Ωcm-3,28.8cm2/V
・S,1000℃の熱処理後は8.0×10-4Ωcm,2.8×1020cm-3,
29.1cm2/V・Ｓであり、活性化のためには900℃以上の熱
処理を要した。尚、多結晶Si膜にリンを熱拡散あるいは
イオン打込みした場合、不純物の活性化のためには900
℃程度以上の熱処理が必要なことは公知の事実である。 本実施例によれば、原料ガスとしてSi2H6とPH3を用い
て550℃以下の温度でリンをドーピングしながらSi膜を
形成することにより、SiH4とPH3を原料ガスとしてリン
をドーピングしながら多結晶Si膜を形成した場合、ある
いは多結晶Si膜にリンを熱拡散法やイオン打込み法でド
ーピングした場合よりもはるかに低温（650℃程度）の
熱処理で不純物を活性化できるという効果がある。 また、膜形成後の熱処理温度が変動しても膜の比抵抗
が変化しないという効果がある。 更に、550℃以下の膜形成温度ではキヤリアの移動度
が30cm2/V・Ｓ以上と大きいため、小さな不純物濃度で
も充分な導電性を得ることが可能であり、下地Si基板へ
の不純物の拡散量を低減できるという効果もある。 実施例２ 本実施例では、急峻な段差部の配線に多結晶Siを用い
た場合、不純物の導入法により配線抵抗がどの程度異な
るかを測定した例について述べる。 第５図に示す手順で試料１〜３を作成した。まずSi基
板101に厚さ１μｍの熱酸化膜102を形成した（第５図
（ａ））。次いで周知のリソグラフイとドライエツチン
グ法により幅0.8μｍの溝103を等間隔になるように形成
した（第５図（ｂ））。続いてLPCVD法で酸化Si膜104を
100nm形成した（第５図（ｃ））。次いで以下の方法でS
i膜形成及び不純物ドーピングを行なつた。試料１ではS
i2H650cc/minとPH31cc/minを石英管内温度525℃，圧力3
0Paで同時に流し、リンをドーピングしながら200nmのSi
膜を形成した。試料２及び試料３についてはSiH4を原料
ガスとし630℃で200nmの多結晶Si膜を形成した後、試料
２についてはリンイオンを打込みエネルギー800KeV,打
込み量５×1015cm-2で打込んだ。試料３については875
℃で20分間リン拡散を行なつた。続いて試料１は650
℃，試料２及び試料３は900℃のN2雰囲気で60分間熱処
理を行なつた。 試料１の多結晶Si膜の平坦部におけるシート抵抗は35
Ω／□であり、段差10個を横切る幅0.8μｍの配線抵抗
は1.6kΩで充分な導電性が得られらた。試料２の多結晶
Si膜の平坦部におけるシート抵抗は90Ω／□であつた
が、段差10個を横切る幅0.8μｍの配線の抵抗は100kΩ
と非常に高抵抗であつた。試料３については、多結晶Si
膜の平坦部におけるシート抵抗は74Ω／□，段差10個を
横切る幅0.8μｍの配線の抵抗は4.5kΩであつた。 本実施例によれば、リンをドーピングしながらSi膜を
形成することにより、イオン打込み法や熱拡散法に比べ
急峻な段差部分の配線抵抗を大幅に低減できる効果があ
る。 実施例３ 本実施例では、不純物ドーピング法の違いが基板Si中
への不純物の拡散深さに与える影響を測定した例につい
て述べる。 第５図（ｂ）に示した基板を試料として用いた。試料
４は基板上に、石英管内温度525℃，圧力30PaでSi2H650
cc/min,PH31cc/minを同時に流し、リンを含むSi膜を形
成した後、650℃のN2雰囲気中で60分間熱処理し、基板
にリンを拡散した。試料５は石英管内温度630℃でSiH4
を原料ガスとして基板上に200nmの多結晶Si膜を形成し
た後、875℃で20分間リン拡散を行ない、続いて900℃の
N2雰囲気中で60分間熱処理を行なつた。 N2雰囲気中で熱処理した試料４及び５は溝と垂直な平
面に沿つて劈開し、フツ酸・硝酸混合溶液でエツチング
した後、断面を走査型電子顕微鏡で観察し、第５図
（ｄ）の拡散層幅ｘを拡散深さとして評価した。 試料５の拡散深さが0.3μｍと大きな値を示したのに
対し、試料４の拡散深さは0.01μｍ以下と無視できる程
小さかつた。 本実施例によれば、原料ガスとしてSi2H6とPH3を用
い、リンをドーピングしながらSi膜を非晶質状態で形成
することにより、活性化のための熱処理が大幅に低温化
できるので、基板中への不純物の拡散深さを無視できる
ほど小さくできるという効果がある。 実施例４ 本実施例では、Si膜の形成方法と膜表面の凹凸の関係
について測定した例について述べる。 実施例３で走査型電子顕微鏡により断面を観察した試
料４及び５について、Si表面の凹凸を同じく走査型電子
顕微鏡により観察した。 Si2H6,PH3を用いて非晶質状態で形成したSi膜（試料
４）の表面は、５万倍の倍率でも凹凸は全く観察され
ず、極めて平滑であつた。これに対し、多結晶Si膜形成
後リン拡散を行なつた試料５の表面には0.125μｍ程度
の凹凸が観察された。尚、試料４及び５の表面状態は熱
処理を行なつても変化しなかつた。 試料４では525℃でSi膜を形成したが、膜形成温度は5
75℃以下であれば平滑な表面を得ることができる。Si2H
6のかわりにSiH4を原料ガスとして用い、630℃でリンを
ドーピングしながら形成した多結晶Si膜の表面では0.05
μｍ程度の細かい凹凸が観察された。 本実施例によれば、原料ガスとしてSi2H6とPH3を用
い、リンをドーピングしながら非晶質状態でSi膜を形成
することにより、極めて平滑なSi表面を得られる効果が
ある。 SiH4を用いて形成した多結晶Siに熱拡散法によりリン
のドーピングを行なつた多結晶Siの熱酸化膜の耐圧は約
3MV/cm以下と小さかつたが、Si2H6,PH3を原料ガスと
し、リンをドーピングしながら形成したSiの熱酸化膜の
耐圧は6MV/cmと多結晶Siの熱酸化膜と同等の極めて良好
な値が得られた。 上記の実施例１ないし実施例４では条件を限定して実
験を行なつた。石英管内の温度が450℃より低い場合に
は膜の成長速度が1nm/min以下と極めて小さくなり、ス
リープツトの低さという点で実験のLSIデバイス製造に
適さない。石英管内温度が550℃より大きい場合には、
第１図あるいは第２図に示した如く、熱処理温度により
膜の比抵抗，キヤリア濃度，移動度が大きく変化するた
め、制御性が悪くなる。石英管内圧力が50Paより大きく
なると、ウエハ間へのガスの流入が悪くなる結果、膜の
成長速度が著しく低下する。PH3とSi2H6の流量比（PH3/
Si2H6）が５×10-2程度でシート抵抗は飽和に達するた
め、PH3/Si2H6を５×10-2より大きくすることは膜中の
不活性な不純物の濃度を増すこととなり好ましくない。
石英管内温度が450℃から550℃，圧力50Pa以下,PH3とSi
2H6の流量比（PH3/Si2H6）が５×10-2以下の条件範囲内
であれば、いずれの実施例においても所望の効果を得る
ことができる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、膜厚方向で均一な不純物分布を有す
るリンを含むSi膜を形成することができる。このSi膜中
の不純物は、従来法よりはるかに低い温度の熱処理で活
性化することが可能なので、基板の不純物分布を乱すこ
となく急峻な段差の側壁部を深い溝内の多結晶Si膜へ不
純物をドーピングすることができ、電極，配線の低抵抗
化が図れる。また、本発明によれば、従来頬に比べウエ
ハ間の膜厚均一性を向上することが可能である。 更にLSIデバイスの製造において大幅な工程の簡略
化，低温化を図ることができ、歩留りの向上，生産コス
トの低減にも大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は膜の形成温度と比抵抗の関係を示す曲線図、第
２図は膜の形成温度とキヤリア濃度ならびに移動度の関
係を示す曲線図、第３図はPH3とSiH4あるいはSi2H6の流
量比と膜の成長速度の関係を曲線図、第４図は本発明を
実施するにあたり用いた装置の一例を示す模式図、第５
図は本発明の実施例を説明するための工程図である。 10……石英管、20……ヒータ、30……電気炉、 40……治具、50……ホルダー、60……基板、70,80,90…
…バルブ、100……排気系。
２図は膜の形成温度とキヤリア濃度ならびに移動度の関
係を示す曲線図、第３図はPH3とSiH4あるいはSi2H6の流
量比と膜の成長速度の関係を曲線図、第４図は本発明を
実施するにあたり用いた装置の一例を示す模式図、第５
図は本発明の実施例を説明するための工程図である。 10……石英管、20……ヒータ、30……電気炉、 40……治具、50……ホルダー、60……基板、70,80,90…
…バルブ、100……排気系。
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(56)参考文献 特開 昭59−100561（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−128612（ＪＰ，Ａ)
特開 昭56−40269（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．減圧雰囲気中で、450℃以上550℃以下の温度にて、
原料ガスとしてジシランとフォスフィンとを用い、基体
上にリンを含む非晶質シリコン膜を形成する工程と、 熱処理により前記非晶質シリコン膜を結晶化する工程と
を有することを特徴とする薄膜形成方法。 ２．上記雰囲気の圧力は、50Pa以下であることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の薄膜形成方法。 ３．上記ジシランの流量に対する上記フォスフィンの流
量の比が５×10-2以下であることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の薄膜形成方法。 ４．上記熱処理の温度は、650℃以上900℃未満であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜形成方
法。 ５．減圧雰囲気中で、450℃以上550℃以下の温度にて、
ジシランとフォスフィンとを原料ガスとして、段差を有
する基体上に不純物としてリンを含む非晶質シリコン膜
を形成する工程と、 熱処理により、前記不純物を活性化し、前記非晶質シリ
コン膜を結晶化する工程とを有することを特徴とする薄
膜形成方法。 ６．基体上に開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、 前記基体を処理容器内に搬入する工程と、 前記処理容器内を減圧し、450℃以上550℃以下の温度に
て、ジシランとフォスフィンとを原料ガスとして、前記
絶縁膜が形成された基体上にリンを含む非晶質シリコン
膜を形成する工程と、 前記非晶質シリコン膜を熱処理により結晶化する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 ７．基板上に開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、 減圧雰囲気下で、450℃以上550℃以下の温度にて、ジシ
ランとフォスフィンとを原料ガスとして、前記絶縁膜が
形成された基板上にリンを含む非晶質シリコン膜を形成
する工程と、 熱処理により、前記非晶質シリコン膜を結晶化し、前記
リンを前記基板に拡散する工程とを有することを特徴と
する半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62307509A JP2690917B2 (ja) | 1987-12-07 | 1987-12-07 | 薄膜形成方法及び半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62307509A JP2690917B2 (ja) | 1987-12-07 | 1987-12-07 | 薄膜形成方法及び半導体装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01149420A JPH01149420A (ja) | 1989-06-12 |
| JP2690917B2 true JP2690917B2 (ja) | 1997-12-17 |
Family
ID=17969932
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62307509A Expired - Fee Related JP2690917B2 (ja) | 1987-12-07 | 1987-12-07 | 薄膜形成方法及び半導体装置の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2690917B2 (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5640269A (en) * | 1979-09-11 | 1981-04-16 | Toshiba Corp | Preparation of semiconductor device |
| GB2130009B (en) * | 1982-11-12 | 1986-04-03 | Rca Corp | Polycrystalline silicon layers for semiconductor devices |
| JPS60128612A (ja) * | 1983-12-15 | 1985-07-09 | Ricoh Co Ltd | プラズマｃｖｄ装置 |
-
1987
- 1987-12-07 JP JP62307509A patent/JP2690917B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01149420A (ja) | 1989-06-12 |
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