JP3177152B2 - 熱処理成膜方法 - Google Patents

熱処理成膜方法

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伸仁 布谷
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造におけ
る熱処理成膜方法に関するもので、特に半導体基板表面
に酸化膜被着や不純物吸着等のない清浄面の現われた状
態で該表面に被膜を形成することが可能な熱処理成膜方
法に係るものである。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の製造においては、デバイス
の構成要素となるポリシリコン膜、酸化膜、窒化膜など
の薄膜を、熱処理装置やCVD装置等を使用して、半導
体基板上に形成する工程が多用されている。これらの工
程において、薄膜形成前の半導体基板面の清浄度は、製
品となったデバイスの特性及び信頼性に大きな影響を与
える場合が多い。
【0003】例えば小信号トランジスタでは、ベース領
域形成後、エミッタ部を開口し、ポリシリコン膜を被着
し、次にポリシリコン膜に不純物をイオン注入した後、
熱処理によって不純物を半導体基板中に拡散してエミッ
タ領域を形成する。減圧CVD装置で基板上にポリシリ
コン膜を形成する場合の膜生成温度は約600℃前後で
ある。このため従来技術では、半導体基板を成膜装置に
出し入れする際の反応室の温度も600℃の状態を保っ
ている。したがって半導体基板は、高温で空気中にさら
されることになり、表面に0.001〜0.003μm
程度の酸化膜が形成される。このため、この上にポリシ
リコンを形成した後、不純物をイオン注入し、熱処理に
よって該不純物を半導体基板中に拡散しようとしたと
き、この酸化膜によって阻止されてしまう。したがって
所望の不純物濃度の拡散層が得られず、エミッタ抵抗も
増大する。
【0004】したがって、半導体基板上に被膜を形成す
る場合、清浄な基板面を得るため、物理的、化学的の各
種のウェーハ洗浄工程が行なわれるほか、工程と工程と
の間などにおけるウェーハの汚染に対しても注意がはら
われている。
【0005】例えば半導体基板を熱処理装置やCVD装
置等へ出し入れする際、外気に触れて、基板上に酸化膜
が形成されることがある。この酸化膜の成長を抑制する
機構を備えた従来の熱処理装置においては、該装置内へ
の半導体基板出し入れ領域を、外気より隔離して、該領
域の雰囲気を真空に引いた後に、熱処理装置への半導体
基板の出し入れを行ない、外気の混入による半導体基板
上での酸化膜(自然酸化膜等)の成長を抑制していた。
【0006】このような従来技術では、外気の混入に伴
う半導体基板上での酸化膜の成長は抑制できるが、半導
体基板に吸蔵されいている水分等の除去はできない。ま
た前工程で半導体基板表面の残存酸化膜や自然酸化膜を
除去した後から、熱処理装置に半導体基板を挿入するま
での間に形成された酸化膜、表面に吸着した不純物、さ
らに前記酸化膜除去処理時に、基板表面に吸着したフッ
素(F)等の不純物の除去はできない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、半導体
基板上に被膜を形成する場合、基板表面の清浄度を良く
するため種々の手段が講じられているが、従来技術で
は、自然酸化膜等の残存酸化膜や吸着または吸蔵不純物
が、成膜前の基板表面に存在し、半導体デバイスの特性
及び信頼性劣化の要因となっている。
【0008】本発明の目的は、半導体基板上にポリシリ
コン膜を形成する場合に、基板とポリシリコン膜との間
の自然酸化膜を減らすことにより、後工程のイオン注入
・熱拡散の工程で、ポリシリコン膜中にドープされた不
純物を、確実に基板内に熱拡散させることを可能とする
熱処理成膜方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に係る熱処理成膜
方法は、シリコン基板上の開口部に、不純物のドープを
しないポリシリコン膜を熱処理成膜し、該ポリシリコン
膜に不純物をイオン注入した後、該不純物をシリコン基
板内に拡散させるにあたり、不純物をドープしないポリ
シリコン成膜を例えば常圧CVD装置等を使用する場合
で、熱処理成膜装置の反応室内の温度を150℃以下に
保った状態で、反応室内にシリコン基板をセットする工
程と、反応室内に非酸化性ガスを満たした状態で該シリ
コン基板温度を成膜温度まで上昇し、次に生成ガスを流
して基板面にポリシリコン膜を形成する工程とを、含む
ことを特徴とする熱処理成膜方法である。
【0010】なお、非酸化性ガスは、N2 等の不活性ガ
スまたは不活性ガスにH2 等を添加した還元性ガスであ
る。
【0011】
【作用】半導体基板表面への酸化膜形成及び不純物の吸
着は、主として(1)フッ酸水溶液による半導体基板の
酸化膜除去等の清浄化処理工程後から、熱処理成膜装置
へ半導体基板を搬送するまでの間、(2)半導体基板を
熱処理成膜装置の内部に挿入、セットする間、及び
(3)熱処理中の3つの期間に起きる。
【0012】したがって、半導体基板上に被膜を形成す
るに際し、基板表面に残存酸化膜や不純物吸着等のない
清浄面が現われた状態で成膜を行なうためには、前記3
つの期間中における酸化膜形成や不純物の取り込みを極
力抑制するとともに、成膜直前においてこれら残存酸化
膜や不純物を除去する必要がある。
【0013】本発明の熱処理成膜方法は、主として常圧
CVD装置に適用される方法である。反応室内の温度を
150℃以下に保った状態で、シリコン基板をセットす
るとともに、N2 等の不活性ガスまたはH2 を混合した
不活性ガスで反応室を満たすので、基板を反応室に導入
するに際し、自然酸化膜はほとんど形成されない。また
上記ガスを満たした状態で、成膜温度まで昇温するの
で、温度上昇過程における吸着水分等による酸化膜成長
も大幅に抑えられる。これらにより、基板とポリシリコ
ン膜との界面自然酸化膜は凝縮(ボールアップ)できる
厚さとなる。
【0014】
【実施の態様】次に本発明の熱処理成膜方法の実施例に
ついて、図1を参照して以下説明する。図1は、この方
法の実施に使用する常圧CVD装置の構成の概要を示す
模式図である。石英から成るベルジャー41は、図示し
ない昇降機構を有し、底板42上に密着して置かれる。
ベルジャー41の内部(反応室)41aには、複数の半
導体基板43を載置するグラファイトから成る平型サセ
プター(ウェーハ載置台)44が設けられている。平型
サセプター44は、RF加熱ヒーター(高周波加熱ヒー
ター)45により加熱されるとともに中心軸の回りに回
転できるようになっている。ベルジャー41の頂面に
は、反応ガス供給ノズル46および非酸化性ガス供給ノ
ズル47、また底板42には、図示してないが強制排気
または自然排気手段に接続する排気口48がそれぞれ設
けられる。
【0015】上記装置を使用し、シリコン基板43上に
ポリシリコン膜を形成する手順は、次のようにする。ま
ず平型サセプター44の温度を150℃以下、例えば1
00℃の状態とする。このため所望によりノズル47か
らN2 ガスを反応室に流し込み、平型サセプター44を
冷却する。次にベルジャー41を上昇させ、サセプター
44上に被処理半導体基板43をセットする。次にノズ
ル47からN2 ガスを反応室41aに流し込み、室内を
2 ガスで満たす。次にベルジャー41を下降し、底板
42と密着させ、反応室内を外気と遮断する。次にN2
ガスを流した状態で、RF加熱ヒーター45を作動さ
せ、10℃/min以上の速度で約600℃程度まで昇
温する。次にノズル47を閉じ、反応ガス供給ノズル4
6を開き、反応ガス(この実施例ではSiH4 +N
2 (キャリアガス))を室内に導入すると共にサセプタ
ー44を回転する。基板43上に、ポリシリコン膜を厚
さ0.4μm程度形成する。ポリシリコン膜を形成後、
反応ガスをN2 ガスに切り換える。引き続きN2 ガスを
放流して基板等を冷却した後、ベルジャー41を上げて
基板43を反応室外に取り出す。
【0016】なおN2 ガスは、水分等を含まない高純度
のドライN2 ガスを使用するが、N2 ガスにH2 等を付
加した還元性ガスを使用しても良い。
【0017】上記常圧CVD装置によるポリシリコン膜
形成工程は、例えば小信号トランジスタデバイスのウェ
ーハプロセスにおいて使用される。図2は、上記ポリシ
リコン膜形成工程前後における小信号トランジスタのウ
ェーハプロセスの概要を示す工程流れ図である。すなわ
ちN型エピタキシャル層を堆積したシリコンウェーハ上
に、ベース部を開口しボロンB+ をイオン注入し、熱拡
散してベース領域を形成後、エミッタ部を開口し上記本
発明の方法により厚さ0.4μmのポリシリコン膜を形
成する。次にAsをイオン注入(50keV、4×10
16atoms/cm2 )し、N2 雰囲気中で1000
℃、30分の熱処理によりポリシリコン膜からAsを基
板に拡散させ、トランジスタを作成する。
【0018】次に本発明を完成する過程で実施した試行
例について以下説明する。
【0019】図1に示す常圧CVD装置を使用し、平型
サセプター44に基板をセットする際のサセプターの温
度(Tinと略記)をパラメータとして、複数のNPNト
ランジスタを作成し、該トランジスタのエミッタ拡散領
域とエミッタ拡散源及び電極となるポリシリコン膜との
間の界面酸化膜(ピーク濃度)量を、SIMS(Second
ary Ion Mass Spectrometry )分析により求め、またエ
ミッタ拡散層のシート抵抗ρs を測定した。
【0020】図3は、基板セット時のサセプターの温度
inと界面酸化膜の酸素ピーク濃度との関係を調べた図
である。同図より温度Tinの増加に伴い、界面酸化膜量
は指数関数的に急激に増加するが、その増加は一様で連
続的である。
【0021】図4は、前記温度Tinと、エミッタ拡散領
域のシート抵抗ρs (Ω/□)との関係を示す図であ
る。ρs が小さいほど、ドナー不純物が多く入り込んだ
と考えることができる。すなわち界面酸化膜のバリヤが
小さいといえる。同図においてρs は、Tinが150℃
ないし200℃の範囲で階段的に減少するのが観測され
る。
【0022】図3の縦軸のSIMS分析による酸素ピー
ク濃度は、主として被測定領域内の酸化膜量を表わして
いるのに対し、図4のρs は、エミッタ拡散におけるド
ナー不純物の拡散程度に関係し、界面酸化膜の形状に大
きく影響される。上記ρs の階段的な減少は、界面酸化
膜に前記ボールアップ現象が発生したためと考えられ
る。したがって反応室の温度を150℃以下に保った状
態で、基板をセットする必要がある。
【0023】これまで述べたように本発明の成膜方法に
より、シリコン基板面にポリシリコン膜を形成すれば、
界面酸化膜の厚さは減少し、ボールアップ現象が発生
し、後工程のエミッタ拡散工程において不純物を確実に
基板内に熱拡散させることができる。
【0024】
【発明の効果】これまで詳述したように、本発明によ
り、半導体基板上にポリシリコン膜を形成する場合に、
基板とポリシリコン膜との間の自然酸化膜を減らすこと
により、後工程で、ポリシリコン膜中にイオン注入され
た不純物を確実に基板内に熱拡散させることを可能とす
る熱処理成膜方法を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の熱処理成膜方法の実施に使用する熱処
理成膜装置の構成の概要を示す模式図である。
【図2】小信号トランジスタにおけるウェーハプロセス
の概要の一部を示す工程流れ図である。
【図3】図1に示す装置を使用した小信号トランジスタ
の温度Tinと界面酸化膜の酸素ピーク濃度との関係を示
す図である。
【図4】上記トランジスタの温度Tinと、エミッタ拡散
層のρs との関係を示す図である。
【符号の説明】
41 ベルジャー 41a 反応室 42 底板 43 シリコン基板 44 平型サセプター 45 高周波加熱ヒーター 46 反応ガス供給ノズル 47 非酸化性ガス供給ノズル 48 排気口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 布谷 伸仁 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式 会社東芝 多摩川工場内 (72)発明者 柳谷 諭 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式 会社東芝 多摩川工場内 (72)発明者 馬場 嘉朗 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式 会社東芝 多摩川工場内 (56)参考文献 特開 昭47−12863(JP,A) 特開 昭62−291024(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 H01L 21/31 C23C 16/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン基板上の開口部に、不純物のドー
    プをしないポリシリコン膜を熱処理成膜し、該ポリシリ
    コン膜に不純物をイオン注入した後、該不純物をシリコ
    ン基板内に拡散させるにあたり、熱処理成膜装置の反応
    室の温度を150℃以下に保った状態で、該反応室内に
    シリコン基板をセットする工程と、該反応室内に非酸化
    性ガスを満たした状態で該シリコン基板温度を成膜温度
    まで上昇した後、生成ガスであるSiH4 を流して基板
    面にポリシリコン膜を形成する工程とを、含むことを特
    徴とする熱処理成膜方法。
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