JP2819073B2

JP2819073B2 - ドープド薄膜の成膜方法

Info

Publication number: JP2819073B2
Application number: JP3122707A
Authority: JP
Inventors: 信一神立; 佳彦岡本; 俊治西村; 篤保坂
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-04-25
Filing date: 1991-04-25
Publication date: 1998-10-30
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: JPH04326512A; KR920020608A; US5654230A; KR100246119B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ドープド薄膜の成膜方
法に係り、特に成膜速度を向上できるのみならず、面間
膜厚の均一性及び面間ドーパント濃度の均一性並びに面
内膜厚の均一性及び面内ドーパント濃度の均一性も向上
できるドープド薄膜の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体ウエハの成膜工程にあっ
ては、最終製品としてのＩＣチップの特性の安定化、す
なわち所望の正常な電気的特性を得るためには、例えば
ＣＶＤ装置による半導体ウエハ上への成膜処理において
面内および面間の膜厚の均一性を向上しなければならな
いばかりか、ドーパントが含まれたいわゆるドープド薄
膜を形成する場合には、更にドーパントの面間均一性も
向上させなければならない。また、特に、競争の激しい
半導体製造分野にあっては、最終製品の一層のコストダ
ウンを行うために、歩留りの向上を図ると共にスループ
ットの向上も図らねばならない。このスループットを向
上させるための対策の１つとして、成膜の成長速度を向
上させることが必要である。

【０００３】例えば、シラン（ＳｉＨ₄ ）とホスフィン
（ＰＨ₃ ）を用いてリンドープのポリシリコン成膜を行
う場合には、適当濃度のホスフィンと例えば１００％濃
度、流量１００−２００ＳＣＣＭのシランとを反応容器
に加え、半導体ウエハを例えば６００−６３０℃に加熱
維持して、リン添加ポリシリコン成膜操作を行い、結果
として、例えば約２５オングストローム／分の成膜速度
が得られる。このとき成膜反応は、以下のようにして行
われる。ＳｉＨ₄ ←→ＳｉＨ₂ ＋Ｈ₂ ＳｉＨ₂ →Ｓｉ＋Ｈ₂ 一般に、リンドープを行う場合には、ドープ用ガスとし
てホスフィンを供給するが、ホスフィンを加えると、こ
のホスフィンの反応性が高いのでシランが半導体ウエハ
表面に吸着する前にリンが先に吸着する傾向となり、そ
の結果、シラン及びシリレンの吸着する確率が低下し、
例えば５オングストローム／分と成膜速度が低下するの
みならず膜厚均一性も±２５％と劣化する。膜厚の均一
性を向上させるためには、ウエハ間の距離を少し大きく
とればよいのであるが、この場合には反応容器内で１度
にバッチ処理できるウエハ枚数が減少してしまい、結果
的にスループットを低下させるという不都合が生じてし
まう。そこで、ウエハ距離間を大きくすることなく、す
なわちスループットを低下させることなく成膜処理を行
う装置として、例えば特開昭５８−１０８７３５号公
報、特開昭６１−２０１６９５号公報が開示された。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術は、半
導体ウエハよりも大きな形状の石英リング板をウエハボ
ートに別途設け、反応性の高い余分なＳｉをこれに付着
させてウエハの膜厚の均一性を達成するものである。し
かしながら、この装置にあっては、上述の如く構造の複
雑な石英リングを別途もうけなければならないことか
ら、コスト高を招来するのみならず保守管理が煩雑にな
るという問題があった。更には、成膜速度は依然として
遅いままであり、充分な改善もなされていない。また更
には、面間膜厚の均一性及び面間ドーパント濃度の均一
性も充分ではなかった。

【０００５】一般に、成膜速度を上昇させるためにはウ
エハの反応温度を上げればよいが、この場合には、ドー
パントであるリンがあまり薄膜中にドープされなくなる
問題点が生ずる。また、通常のシラン供給量を維持しつ
つ反応温度を下げると、ホスフィンの流量にも依存する
が一般に成膜速度が格段に低下し、もはや実用レベル以
下となってしまう。また、成膜反応に関しては不明な点
が多く、温度的、濃度的、量的要因等が複雑に絡み合っ
て反応が行われるので、最適な反応条件を見いだすこと
が非常に困難となっている。本発明は、以上のような状
況下にて、前記問題点を解決するために創案されたもの
である。本発明の目的は、成膜速度を向上できるのみな
らず、面間膜厚の均一性及び面間ドーパント濃度も向上
できるドープド薄膜の成膜方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、反応温度を低
下させると成膜速度が低下することから従来この半導体
製造分野では試行されなかった「反応温度を下げる」と
いう試行を行なうと共に成膜速度の低下分を従来全く着
想されなかった「多量の成膜ガスを供給する」という操
作により補うことにより良好な結果を得ることができ
る、という知見を見いだすことによりなされたものであ
る。本発明は、上記問題点を解決するために、ウエハボ
ートに所定の間隔で積層させて回転可能に支持された少
なくとも１００枚以上の多数枚の半導体ウエハを、減圧
された外筒とこの外筒に同心状に収容された内筒とによ
り構成される縦型の反応容器内に収容して、半導体ウエ
ハを６００〜６３０℃に加熱維持しつつ、成膜用の実質
的に１００％濃度のシランガスを、成膜用ガス導入管か
ら流量１００〜２００ＳＣＣＭで供給し、不活性ガスで
希釈されたホスフィンを、ウエハボートに収容された半
導体ウエハの近傍に半導体ウエハの配列方向に向けて開
口した複数のガス流出口を有する垂設されたドープ用ガ
ス導入管から供給して、半導体ウエハの表面にドーパン
トの含まれた薄膜を減圧ＣＶＤにより形成した場合、５
オングストローム／分以下の成膜速度と±２５％以上劣
る膜厚均一性しか得られないドープド薄膜の成膜方法に
おいて、前記成膜用ガスの供給量を３００〜５０００Ｓ
ＣＣＭの範囲に設定すると共に、前記半導体ウエハの反
応温度を５５０〜６００℃未満の範囲に設定するように
したものである。

【０００７】

【作用】まず、半導体ウエハを予め定められた間隔で多
数枚搭載したウエハボートを反応容器内に収容すると共
に、この内部の温度を通常の反応温度より低い温度、例
えば５５０−６００℃の範囲内の一定値に設定する。そ
して、真空ポンプにより反応容器内を排気して、この中
を通常の減圧ＣＶＤ操作を行う圧力に維持すると共に、
成膜用ガスとして、例えばシランを多量に、例えば３０
０−５０００ＳＣＣＭの範囲内の一定値で供給し、他
方、ドーパント用ガスとしてホスフィンを所定量、例え
ばヘリウム希釈濃度１０％のホスフィンを供給する。こ
のようにして、所定時間シランを半導体ウエハに反応さ
せることにより、成膜速度の向上、面間面内膜厚及び面
間面内ドーパント濃度の均一性の向上を達成することが
出来る。

【０００８】

【実施例】以下に本発明方法の実施例を添付図面に基づ
いて詳述する。まず、本発明方法を実施するための低圧
ＣＶＤ装置について説明する。図１に示す如くこの低圧
ＣＶＤ装置の縦型熱処理装置は、長手方向がほぼ垂直に
配設された円筒状の反応容器１を有しており、この反応
容器１は耐熱性材料、例えば石英からなる外筒２と、こ
の外筒２内に同心状に収容された、例えば石英からなる
内筒３とにより主に構成されて、２重管構造になってい
る。上記外筒２及び内筒３は、ステンレス等よりなるマ
ニホールド４によって保持されており、このマニホール
ド４はベースプレート５に固定されている。そして、上
記反応容器１を囲むように、例えば抵抗発熱体からなる
円筒状の加熱用ヒータ６が設置されて熱処理部が構成さ
れている。この加熱用ヒータ６の外側には、上記熱処理
部を保温するために例えばシリカブロックよりなる断熱
層１７が形成されると共に、この断熱層１７の外側に
は、これを囲むように装置全体を保護するために例えば
ステンレススチール等よりなる円筒状の外側ケース２２
が設けられている。

【０００９】上記反応容器１の下部に設けられたマニホ
ールド４の下端部の開口部は、ステンレス等よりなる円
板状のキャップ部７により、封止部例えば弾性材料のＯ
リング１７ａを介して気密封止可能に構成されている。
上記キャップ部７のほぼ中央部には、例えば磁気シール
により気密な状態で回転可能な回転軸８が挿通されてい
る。この回転軸８の下端は、図示省略した回転機構に接
続されており、上端は例えばステンレススチール等より
なるターンテーブル９に固定されている。また、上記タ
ーンテーブル９の上方には、反応容器１の内筒３と所定
の間隙を保持して石英からなる保温筒１０が設置されて
おり、この保温筒１０上には、多数枚例えば１００枚の
半導体ウエハ１１が所定の間隙、例えば４．７６ｍｍ間
隔で積層収容された、例えば石英からなるウエハボート
１２が搭載されている。上記ウエハボート１２、保温筒
１０、ターンテーブル９及びキャップ部７は、図示省略
した昇降機構、例えばウエハエレベータにより反応容器
１内に一体となってロード、アンロードされる様に構成
されている。

【００１０】マニホールド４の下部には、上方すなわち
ウエハボート１２方向にむけて折り曲げられたＬ字状の
例えば石英からなる成膜用ガス導入管１３がシール部材
１３ｂによりマニホールド４に気密に配設されている。
上記シール部材１３ｂには例えばステンレススチールか
らなるガス配管１３ｃが接続され図示しないガス供給源
に接続されている。この成膜用ガス導入管１３に設けら
れたガス流出口１３ａは、ウエハボート１２に収容され
た半導体ウエハ１１の近傍に達するように垂設されてお
り、半導体ウエハの配列方向に向けて開口されている。
上記成膜用ガス導入管１３には、成膜用ガス、例えば１
００％濃度のシランが上記供給源により供給されること
になる。また、例えばリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アン
チモン（Ｓｂ）、ボロン（Ｂ）等のドーパントを含む有
機化合物を含有するドープ用ガス、例えばホスフィンを
反応容器１内に導入するドープ用ガス導入管１４は、Ｌ
字形状に曲げられており、マニホールド４の下部にシー
ル部材１４ｂを介して気密に配設されている。

【００１１】上記ドープ用ガス導入管１４は、ウエハボ
ート１２に収容された各半導体ウエハ１１の面方向にむ
けて所定の間隔で開口された複数のガス流出口１４ａを
有しており、各半導体ウエハ１１に対して均一にホスフ
ィンガスを供給しうるように配置されている。このドー
プ用ガス導入管１４の下端部は、例えばステンレススチ
ールよりなるガス配管１４ｃに接続されており、このガ
ス配管１４ｃには、図示しないガス供給源が接続されて
おり、例えばＨｅにより適当濃度に希釈されたホスフィ
ンをドープ用ガスとして反応容器１内に供給しうるよう
になっている。そして、マニホールド４の上部側面に
は、真空ポンプ１８を含む排気係１９に接続された、例
えばステンレススチールよりなる排気管１５が設けられ
ており、外筒２と内筒３との間隙から処理済ガスを排出
して反応容器１内を所定の減圧雰囲気にしうるようにな
っている。上記排気系１９には、図示しない圧力調整器
が設けられ、反応容器１内を所望の圧力に調整すること
ができるように構成されている。特に、本発明方法にあ
っては、従来方法に比較して多量の成膜用ガスを供給す
ることから、上記真空ポンプ１５の後流側の排気系１９
には、未反応成膜用ガスを除去するための除害装置２０
が介設されている。そして、この除害装置２０には、有
害、危険なガスを吸収または分解する薬剤の入った筒２
０ａが収容されていおり、有害成分の系外への排出を防
いでいる。そして、この除害装置２０の後流側には、通
常の工場排気ライン２１が接続されている。

【００１２】次に、以上のように構成された熱処理装置
に基づいて実施される本発明方法の実施例を説明する。
本実施例にあっては、例えばリン添加ポリシリコン膜を
成膜する場合について説明する。まず、ヒータ６により
反応容器１内の熱処理部を、通常のドープドポリシリコ
ン膜の減圧ＣＶＤの操作温度よりは少し低い温度、例え
ば好ましくは５５０−６００℃の範囲の内の一定温度、
例えば５７５℃の均熱加熱状態に維持し、この加熱処理
部にその下方より図示しないボートエレベータにより複
数枚、例えば１００枚の半導体ウエハ１１を収容したウ
エハボート１２をロードすると共に、この内部を密閉状
態にする。

【００１３】次に、排気系１９の真空ポンプ１８等の駆
動により、反応容器１内を所定の圧力、例えば０．００
１Ｔｏｒｒの真空状態まで排気した後、成膜用ガス導入
管１３から成膜用ガス、例えば１００％濃度のシランガ
スを従来のドープドポリシリコン膜のＣＶＤ操作時の供
給量より遥かに多い供給量の範囲、例えば好ましくは３
００−５０００ＳＣＣＭの範囲内の供給量、例えば５０
０ＳＣＣＭで反応容器１内にガス流出口１３ａから供給
すると共に、ヘリウムで例えば１０％まで希釈されたホ
スフィンをドープ用ガスとして例えば５ＳＣＣＭ反応容
器１内へ導入し、複数のガス流出口１４ａから被処理体
である半導体ウエハ１１に均等に供給する。そして、反
応容器１内の圧力を排気系路に設けられた図示しない圧
力調整器により０．４Ｔｏｒｒの圧力に維持するように
圧力制御を行い乍ら排気し、所定時間だけ成膜処理を行
う。従来方法と比較して、多量のシランを供給すること
から、排気系１９を流れる処理済ガス中には必然的に比
較的多くの未反応シランが残存することとなるが、この
内の多くの未反応シランは除害装置２０により除去され
ることになる。

【００１４】上記条件でリン添加ポリシリコン薄膜を形
成した結果、図２のシラン流量５００ＳＣＣＭのデータ
からわかるように成膜成長速度は、４０オングストロー
ム／ｍｉｎ以上の値が得られた。また、膜厚面間均一性
については、１０％位或はそれ以下の値となり、良好な
結果が得られた。また、リン濃度については、約２．２
×１０²⁰個／ｃｍ³ 前後の値が得られた。そして、リン
濃度の面間均一性については、５０％前後の値となり、
この点よりも良好な結果が得られた。

【００１５】ここで、図２に基づいてリン添加ポリシリ
コン成膜のシラン流量依存性について検討する。図２に
示す実験例は、反応温度を約５７５℃に、容器内圧力を
約０．４Ｔｏｒｒに、ドープ用ガスの流量を約５ＳＣＣ
Ｍに設定し、１００％シランの供給流量を変化させた場
合における、薄膜面間均一性、平均成膜速度、リン濃度
面間均一性及び平均リン濃度を示すものである。従来の
リン添加ポリシリコン成膜操作は、１００％シランの流
量に関しては２００ＳＣＣＭ以下、反応温度に関しては
約６３０℃位の高温で行われていた。図２から判明する
ように、シランの供給量が２００ＳＣＣＭから５００Ｓ
ＣＣＭに増加するに従って、平均成膜速度は約３０オン
グストローム／ｍｉｎから約４２オングストローム／ｍ
ｉｎまで増加するのでスループットが向上し、膜厚面間
均一性は約２５％から約８％位まで低下しており、良好
な品質を得ることができた。また、シランの供給量の増
加にともなって、リン濃度面間均一性は約６５％から約
４８％まで低下し、更に平均リン濃度も約３．５×１０
²⁰個／ｃｍ³ から約２．２×１０²⁰個／ｃｍ³ まで低下
し、良好な結果を得ることができた。このように、リン
添加ポリシリコン成膜操作を行うときに、反応温度を比
較的低くし、且つシランの供給量を大幅に増加すること
により、成膜速度を向上できるのみならず面間膜厚の均
一性、面間ドーパント濃度の均一性も向上できる。

【００１６】また、図３は上記実験例と同様な条件にお
いて、ウエハボート中に上下方向に配列されたウエハ列
中のウエハ位置に対する各特性及び面内均一性を示すグ
ラフである。ウエハ位置のボトムは、ウエハ列の下部を
示し、トップはウエハ列の上部を示す。また、ウエハ列
の上下端には、それぞれ数枚、例えば１０枚のダミーウ
エハが設けられていることからウエハ位置１１枚目は実
際に成膜するウエハの１枚目に相当する。この図３によ
れば、各ウエハ位置において、成膜速度（Ｄ／Ｒ）は比
較的大きな値、約３３オングストローム／ｍｉｎを示し
ており、また、面内均一性は、従来方法によれば±約４
％前後であったが、本実施例にあっては良好な値、±約
１％以下を示している。また、リン濃度は良好な値、約
５−６×１０²⁰個／ｃｍ³ の範囲を示しており、その面
内均一性も約０．５−１．５％の範囲内となっている。
更に、アニール後のシート抵抗値は、±約３０−３５
（オーム／□）の範囲を示しており、その面内均一性も
±約２−３．５％の範囲内となっている。従って、各特
性の面間均一性のみならず、面内均一性も比較的良好な
結果を得ることができる点が判明する。

【００１７】更に、図４は、リン添加ポリシリコン成膜
の各反応温度に対するアニール前シート抵抗の変化を示
すグラフである。この実験例においては、容器内圧力を
０．６Ｔｏｒｒとし、１００％濃度のシランを８００Ｓ
ＣＣＭ、ヘリウム希釈による濃度１％のホスフィンを１
５０ＳＣＣＭ供給し、反応温度を５７０℃から５８０℃
に順次変化させて、それぞれにおいて９０分間の成膜処
理をおこなった。この図４によると、ウエハ列の１１枚
目、８６枚目、及び１６０枚目の各ウエハのアニール前
シート抵抗（オーム／□）に関しては、反応温度５７０
℃においては１６０枚目のウエハの値が非常に小さく、
１１枚目及び８６枚目のウエハの値が非常に大きく、そ
の値に比較的ばらつきがあったが、反応温度を上昇させ
て５８０℃になると、シート抵抗のばらつきが非常に少
なくなり、面間均一性を良好にさせることができる点が
判明する。

【００１８】尚、上記実施例にあっては、リンドープの
場合について説明したが、これに限定されるものでな
く、例えばドーパントとしてボロン、砒素、アンチモン
等も使用できるのは勿論である。また、熱処理装置とし
ては、上記実施例に限らず、例えば酸化拡散装置、ＣＶ
Ｄ装置、プラズマＣＶＤ装置等にも適用することができ
る。

【００１９】

【発明の効果】以上要するに、本発明方法によれば、ド
ープド薄膜を成膜するに際して、成膜用ガスの供給量を
通常の減圧ＣＶＤ操作時の供給量よりも遥かに多い供給
量、すなわち３００〜５０００ＳＣＣＭの範囲に設定す
ると共に反応温度を通常の減圧ＣＶＤの操作温度である
６００〜６３０℃よりも少し低い温度、すなわち５５０
〜６００℃未満の範囲に設定したので、従来方法と比較
して成膜速度を格段に向上できるのみならず、面間面内
膜厚の均一性及び面間面内ドーパント濃度の均一性も向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するための縦型熱処理装置を
示す縦断面図である。

【図２】リン添加ポリシリコンを成膜するに際して、シ
ランの流量を変えた場合における、各特性の変化及びそ
の面間均一性を示すグラフである。

【図３】リン添加ポリシリコンを成膜するに際して、ウ
エハ位置の相異に対する各特性の変化及びその面内均一
性を示すグラフである。

【図４】リン添加ポリシリコンを成膜するに際して、反
応温度を変えた場合における、成膜のアニール前シート
抵抗を示すグラフである。１反応容器２外筒３内筒６ヒータ１１半導体ウエハ（被処理体）１２ウエハボート１３成膜用ガス導入管１４ドープ用ガス導入管１８真空ポンプ２０除外装置

フロントページの続き (72)発明者西村俊治東京都新宿区西新宿２丁目３番１号東京エレクトロン株式会社内 (72)発明者保坂篤東京都新宿区西新宿２丁目３番１号東京エレクトロン株式会社内 (56)参考文献特開昭63−207181（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/205

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ウエハボートに所定の間隔で積層させて
回転可能に支持された少なくとも１００枚以上の多数枚
の半導体ウエハを、減圧された外筒とこの外筒に同心状
に収容された内筒とにより構成される縦型の反応容器内
に収容して、半導体ウエハを６００〜６３０℃に加熱維
持しつつ、成膜用の実質的に１００％濃度のシランガス
を、成膜用ガス導入管から流量１００〜２００ＳＣＣＭ
で供給し、不活性ガスで希釈されたホスフィンを、ウエ
ハボートに収容された半導体ウエハの近傍に半導体ウエ
ハの配列方向に向けて開口した複数のガス流出口を有す
る垂設されたドープ用ガス導入管から供給して、半導体
ウエハの表面にドーパントの含まれた薄膜を減圧ＣＶＤ
により形成した場合、５オングストローム／分以下の成
膜速度と±２５％以上劣る膜厚均一性しか得られないド
ープド薄膜の成膜方法において、前記成膜用ガスの供給
量を３００〜５０００ＳＣＣＭの範囲に設定すると共
に、前記半導体ウエハの反応温度を５５０〜６００℃未
満の範囲に設定することを特徴とするドープド薄膜の成
膜方法。
【請求項２】前記半導体ウエハの所定の間隔が略４．
７６ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のドープ
ド薄膜の成膜方法。