JP3283095B2 - りんドープドポリシリコンの成膜方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、りん（Ｐ）を含むポ
リシリコンをシリコンウェハ等の被処理体に形成するり
んドープドポリシリコンの成膜方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＩＣチップの特性の安定化（所
望の電気的特性）を得るためには、成膜工程において、
半導体ウェハ上に所望の均一なポリシリコンを形成する
必要がある。成膜工程では、この半導体ウェハの面内に
おいて膜厚のばらつきを少なくする（以下、面内膜厚均
一性の向上を図るという）とともに、バッチ処理される
多数枚の半導体ウェハの相互間において膜厚のばらつき
を少なくする（以下、面間膜厚均一性の向上を図るとい
う）ことが肝要である。

【０００３】また、特に、バッチ処理方式で多数枚の半
導体ウェハにりんドープドポリシリコンを形成する場合
には、ポリシリコン中に持ち込まれるりんドーパント濃
度のウェハ相互間のばらつきを少なくする（以下、面間
ドーパント濃度均一性の向上を図るという）ことが肝要
である。

【０００４】さらに、コストダウンを図るために、各製
造工程のスループットを向上させる必要がある。例え
ば、成膜工程のスループットを向上させるには、ポリシ
リコン成長速度（成膜速度）を増大させる。

【０００５】例えば、希釈ホスフィン（ＰＨ_３ ）と１
００％シラン（ＳｉＨ_４ ）との混合ガスを用いてＰド
ープのポリシリコン膜を形成する場合は、流量１００〜
２００ＳＣＣＭの混合ガスを反応容器内に導入し、６０
０〜６３０℃の温度下でシリコンウェハにガスを反応さ
せる。これにより、約２５オングストローム／分の成膜
速度が得られる。成膜反応は下式のようになる。

【０００６】 ＳｉＨ_４ ←→ＳｉＨ_２ ＋Ｈ_２ ＳｉＨ_２ →Ｓｉ＋Ｈ_２ ところで、Ｐドープ用ガスのホスフィンは反応性が高い
ので、シランがシリコンウェハ表面に吸着する前にＰが
優先的に吸着する傾向にある。このため、シランおよび
シリレンがウェハ表面に吸着する確率が低レベルに抑え
られ、スループットが低下する。例えば、成膜速度は５
オングストローム／分に低下する。また、面内膜厚均一
性も±２５％にも増大し、歩留まりが低下する。

【０００７】面内膜厚均一性を向上させるためには、反
応容器内でウェハ相互間の距離を十分に大きくとること
が考えられるが、１度にバッチ処理できるウェハ枚数が
少なくなり、スループットが低下するという不都合が生
じる。

【０００８】また、特開昭５８−１０８７３５号公報お
よび特開昭６１−２０１６９５号公報には、ウェハ相互
間距離を過大にすることなく、面内膜厚均一性の高い成
膜処理を行うことができる縦型ウェハボートが記載され
ている。

【０００９】しかしながら、このような縦型ウェハボー
トにおいては、ウェハを支持するためのリング部材が複
雑な形状となるので、コスト高となり、また、ウェハボ
ートの保守管理が煩雑になる。また、成膜速度は依然と
して遅いままである。さらに、面間膜厚均一性および面
間ドーパント濃度均一性の向上を図ることができないと
いう問題点がある。

【００１０】一般に、成膜速度を上昇させるためには成
膜処理温度を高くすればよい。ところが、高温の処理条
件下では、ポリシリコン中へのＰのドープ量が低下する
という不都合を生ずる。また、大量の半導体ウェハに対
して均一にＰをドープさせることが困難である。そこ
で、成膜ガスとしてのシラン供給量を増加し、面内膜厚
を均一に保つという提案がなされ、特願平３−１２２７
０７号として出願されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、反応容
器内に設置された縦型ウェハボートには、１７０枚前後
の半導体ウェハが所定間隔で配置されている。したがっ
て、反応容器内の下方はＰの濃度が高く、上方に向うに
したがってＰの濃度が低くなり、半導体ウェハの相互間
において膜厚がばらつき、つまり面間膜厚が不均一とな
る。また、Ｓｉ−Ｐ結合の飽和領域未満のＰの濃度では
アニール後のシート抵抗値がばらつくために使用できな
い。

【００１２】この発明は、前記事情に着目してなされた
もので、その目的とするところは、面内膜厚均一性、面
間膜厚均一性、面間ドーパント濃度均一性のそれぞれを
所望レベル以上に向上させることができるりんドープド
ポリシリコンの成膜方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記目的を
達成するために、縦型の反応容器内に縦型ウェハボート
を設け、この縦型ウェハボートに複数枚の被処理体を対
面する面の相互間隔が実質的に一様となるように配設
し、減圧された前記反応容器内の下部に開口するガス導
入管からＳｉＨ_４ ガスとＰＨ_３ を含むドープ用ガス
を供給して被処理体の表面にりんの含まれたポリシリコ
ンを形成するりんドープドポリシリコンの成膜方法にお
いて、前記被処理体の反応温度を４８０〜５３０℃の範
囲に設定するとともに、ＳｉＨ_４ ガス流量を３００〜
１０００ＳＣＣＭの範囲に設定することを特徴とする。

【００１４】つまり、被処理体としての半導体ウェハ
に、希釈ホスフィン（ＰＨ_３ ）と１００％シラン（Ｓ
ｉＨ_４ ）との混合ガスを用いてＰドープのポリシリコ
ン膜を形成する場合、反応温度を４８０〜５３０℃の範
囲に下げることにより、希釈ホスフィン（ＰＨ_３ ）の
分解を抑え、面間方向で均一にドープできる温度帯で成
膜し、かつＳｉＨ_４ ガス流量を３００〜１０００ＳＣ
ＣＭの範囲に設定することにより同時に面内及び面間膜
厚を均一にすることにある。

【００１５】

【作用】まず、半導体ウェハを予め定められた間隔で多
数枚搭載したウェハボートを反応容器内に収容するとと
もに、この反応容器内の温度を通常の反応温度より低い
温度、４８０〜５３０℃の範囲に設定する。そして、真
空ポンプにより反応容器内を排気し、反応容器の内部を
減圧するとともに、成膜用ガスとしてＳｉＨ_４ガスを３
００〜１０００ＳＣＣＭ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ＰＨ_３ を供給する。このようにして、所定
時間ＳｉＨ_４ を半導体ウェハに反応させる。

【００１６】反応容器内で進行する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
絡み合うので、最適な条件を見いだすことが非常に困難
である。発明者らは、トライアンドエラーを繰り返し、
ＳｉＨ_４ およびＰＨ_３ の流量、温度、バッチ処理
量、反応時間などの組み合わせを種々変えて、最適条件
を見出だすことに成功した。

【００１７】

【実施例】以下、この発明を図面に示す一実施例に基づ
いて説明する。

【００１８】図１に示す、減圧ＣＶＤ装置を用いて１７
０枚の６インチシリコンウェハ上にポリシリコン膜を形
成する場合について説明する。

【００１９】図１に示すように、減圧ＣＶＤ装置は、円
筒状の反応容器１が垂直状態に設置されている。この反
応容器１は耐熱性材料、例えば石英ガラスからなる外筒
２および内筒３からなる同心筒状の二重管である。外筒
２は、上端が閉塞され、下端が開口している。内筒３
は、上端および下端ともに開放している。

【００２０】外筒２および内筒３の下部にはステンレス
材料等からなるマニホールド４が取り付けられている。
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、反応容器１を取り囲むように、抵抗発熱体
からなる加熱用ヒータ６が設けられている。

【００２１】加熱用ヒータ６はシリカブロックからなる
断熱層７により取り囲まれ、反応容器１が保温されるよ
うになっている。さらに、断熱層７はステンレス材料等
のケース８により取り囲まれている。

【００２２】マニホールド４の下端開口は、Ｏリング９
ａを介してステンレス材料からなるキャップ９により気
密に封止され、反応容器１は気密に保たれている。キャ
ップ９のほぼ中央部には回転軸１０が垂直方向に貫通し
ている。回転軸１０とキャップ９との間隙には磁気シー
ル機構（図示せず）が設けられている。回転軸１０は、
その下端が回転機構（図示せず）に接続されており、そ
の上端がステンレス材料からなるターンテーブル１１に
固定されている。

【００２３】ターンテーブル１１上には石英製の保温筒
１２が載置されている。保温筒１２と反応容器１の内筒
３の周壁とは所定間隔をもって離隔している。さらに、
この保温筒１２上にはウェハボート１３が載置されてい
る。このウェハボート１３には多数枚の被処理体、例え
ば１７０枚のシリコンウェハＷが所定間隔、例えば４．
７６ｍｍ間隔で積層収容されている。

【００２４】なお、ウェハボート１３、保温筒１２、タ
ーンテーブル１１およびキャップ９は、エレベータ機構
（図示せず）により反応容器１内に一緒にロード／アン
ロードされるようになっている。

【００２５】前記マニホールド４の側壁には第１，第２
のガス導入管１４，１５が貫通して設けられ、反応容器
１内に導入されている。第１のガス導入管１４は、その
基端部１４ｃがＳｉＨ4 ガス供給源１６に連通してい
る。第１のガス導入管１４の反応容器１内に位置する部
分は石英で形成されており、基端部１４ｃはステンレス
材料で形成されている。また、第１のガス導入管１４
は、シール部材１４ｂを介してマニホールド４の側壁と
シールされている。第２のガス導入管１５の基端部１５
ｃは、ＰＨ_３ ガス供給源１７およびヘリウムガス供給
源１８に連通している。

【００２６】第２のガス導入管１５の反応容器１内に位
置する部分は石英で形成されており、基端部１５ｃはス
テンレス材料で形成されている。また、第２のガス導入
管１５は、シール部材１５ｂを介してマニホールド４の
側壁とシールされている。

【００２７】また、各ガス供給源１６，１７，１８の供
給配管には、流量調整弁１６ａ，１７ａ，１８ａがそれ
ぞれ設けられている。各流量調整弁１６ａ，１７ａ，１
８ａの駆動部電源にはコントローラ１９の出力側が接続
されている。コントローラ１９は、ＣＰＵおよびメモリ
からなるコンピュータシステムを内蔵し、ＣＶＤ装置各
部に設けられたセンサ（図示せず）から各種検出情報が
入力されるようになっている。このコントローラ１９で
各弁流量調整弁１６ａ，１７ａ，１８ａの開度を制御す
ることにより、ＳｉＨ_４ ガス流量、ＰＨ_３ 用ガス流
量、並びにヘリウムガスによるＰＨ_３ 用ガスの希釈濃
度のそれぞれをコントロールするようになっている。

【００２８】反応容器１の下端部には排気口２０が設け
られ、これは内筒３および外筒２の相互間にて開口して
いる。この排気口２０は、ステンレス材料からなる排気
管２１を介して排気系２２に連通している。

【００２９】排気系２２より上流側の排気管２１には分
岐管２３が設けられている。この分岐管２３は圧力検出
器２４に連通している。圧力検出器２４は前記コントロ
ーラ１９の入力部に接続されている。

【００３０】分岐管２３より下流側の排気管２１の途中
には開閉バルブ２５が設けられ、これはモータ２６によ
って開閉駆動されるようになっており、モータ２６はコ
ントローラ１９によって制御接続されている。この開閉
バルブ２５は、排気系２２への排気流量を調節する役割
をしている。

【００３１】排気系２２は、上流側から順にドライポン
プ２７、燃焼装置２８、工場排気装置２９からなり、ド
ライポンプ２７は、回転摺動部分に潤滑油を用いないタ
イプのものである。燃焼装置２８の内部にはポット（図
示しない）が設けられている。ポット（図示しない）に
は空気取入れ口が設けられ、廃ガス中に含まれる未反応
のＳｉＨ_４ ガスが取入エアとポット（図示しない）内
で燃焼反応するようになっている。

【００３２】窒素ガス供給源（図示しない）からポット
（図示しない）内に窒素ガスが供給され、廃ガスが窒素
ガスにより希釈されるようになっている。この場合に、
燃焼装置２８の代わりに、廃ガス中の有害、危険な成分
を吸収または分解する薬剤を充填した筒を設けてもよ
い。なお、工場排気装置２９は、多数のＣＶＤ装置の排
気系からの廃ガスを一括集中処理するためのものであ
り、大容量の排気ブロワを有している。

【００３３】次に、前述のように構成されたＣＶＤ装置
を用いてりん添加ポリシリコン膜を成膜する場合につい
て説明する。

【００３４】まず、ヒータ６により反応容器１内の処理
領域を加熱する。この場合に、通常のりんドープドポリ
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４８０〜５３０℃の範囲内の所定温度、好ま
しくは５００℃の温度に処理領域を保持する。

【００３５】つまり、反応温度を４８０〜５３０℃の範
囲に下げることにより、希釈ホスフィン（ＰＨ_３ ）の
分解を抑え、面間方向で均一にドープできる温度帯で成
膜することにある。

【００３６】ウェハボート１３が均熱領域に位置するよ
うに、ウェハボート１３を反応容器１内にローディング
する。このウェハボート１３には１７０枚の６インチシ
リコンウエハＷが収容されている。ウェハボート１３を
ロードすると、キャップ９により反応容器１の内部が密
閉状態になる。そして、回転軸１０が回転し、ウェハボ
ート１３を低速度で回転させる。

【００３７】次に、排気系２２のドライポンプ２７を駆
動して反応容器１の内圧を、例えば０．００１Ｔｏｒｒ
になるまで排気する。圧力検出器２４から内圧検出信号
がコントローラ１９に入ると、これに基づきコントロー
ラ１９から各流量調整弁１６ａ，１７ａ，１８ａに信号
が送られ、各バルブ開度がコントロールされる。この結
果、ガス供給源１６から１００％濃度のＳｉＨ_４ ガス
が流量８００ＳＣＣＭで反応容器１に供給されるととも
に、ガス供給源１７，１８からのホスフィンおよびヘリ
ウムの希釈混合ガスが流量３００ＳＣＣＭで反応容器１
に供給される。この希釈混合ガスのホスフィン濃度は約
０．１％である。

【００３８】なお、ガス供給能力、排気能力、燃焼処理
能力などの制約から、成膜ガス用のＳｉＨ_４ ガス流量
は約３００〜１０００ＳＣＣＭであることが好ましい。
これは、従来のりんドープドポリシリコン膜のＣＶＤ操
作時の供給量よりやや多い供給量であり、膜厚の面内及
び面間膜厚均一性の向上を図ることができる。このた
め、廃ガス中には多量の未反応シランが含まれるので、
これを燃焼装置２８により燃焼処理して無害にする。し
たがって、燃焼装置２８の処理能力は従来のものよりも
かなり大きい。

【００３９】プロセスガス供給中は、開閉バルブ２５を
開閉制御し、反応容器１の内圧を０．１〜４Ｔｏｒｒに
なるようにコントロールする。なお、成膜処理中におい
てはプロセスガスの供給を一定量に保持する。このよう
に反応容器１の内圧制御しつつ、成膜処理を行う。

【００４０】第１のガス導入管１４のガス流出口（図示
しない）から多量のＳｉＨ_４ ガスが噴出し、反応容器
１内に充満する。これにより、各シリコンウェハＷの表
面に面内及び面間膜厚均一性に優れたポリシリコンが形
成される。また、反応温度を４８０〜５３０℃の温度に
下げることにより、希釈ホスフィン（ＰＨ_３ ）の分解
が抑えられ各シリコンウェハＷに均等にＰドーパントが
供給されるので、面間ドーパント濃度均一性にも優れた
ポリシリコンが形成される。所定時間経過後、各流量調
整弁１６ａ，１７ａ，１８ａを閉じ、反応容器１へのガ
ス供給を停止する。

【００４１】ウェハボート１３の回転を停止し、反応容
器１内の排気ガスをすべて排気する。排気後、反応容器
１内に窒素ガスを供給し、これを窒素ガスパージする。
ウェハボート１３を反応容器１からアンロ−ドする。

【００４２】図２は、横軸にボトム側から数えたシリコ
ンウェハの枚数をとり、縦軸に、成膜中Ｐ濃度とシート
抵抗をとって面間均一性についてしらべた結果を示すグ
ラフである。

【００４３】曲線Ａ1(Ｐ濃度）, Ａ2 ( シート抵抗）
は、この発明の成膜方法を示し、その成膜条件は、 ＊反応温度を５００℃ ＊内圧３．０ｔｏｒｒ ＊１００％濃度のＳｉＨ_４ 流量８００ＳＣＣＭ ＊０．１％希釈ＰＨ_３ ガス流量３００ＳＣＣＭであ
る。

【００４４】曲線Ｂ1(Ｐ濃度）,Ｂ２(シート抵抗）は、
従来の成膜方法を示し、その成膜条件は、 ＊反応温度を５８０℃ ＊内圧０．６ｔｏｒｒ ＊１００％濃度のＳｉＨ_４ 流量８００ＳＣＣＭ ＊１％希釈ＰＨ_３ ガス流量２２ＳＣＣＭである。

【００４５】図２の曲線Ｂ1 で明らかなように、従来の
成膜方法における、反応温度を５８０℃の場合には反応
容器１の下方に配置されたシリコンウェハＷのＰ濃度が
高く、反応容器１の上方に向うにしたがって急激にＰ濃
度が低くなり、面間均一性に大きなばらつきができる。
また、曲線Ｂ２で明らかなように、反応容器１の下方に
配置されたシリコンウェハＷのシート抵抗は低く、反応
容器１の上方に向って徐々に高くなり、シート抵抗にば
らつきができる。

【００４６】しかし、図２の曲線Ａ1 で明らかなよう
に、この発明の成膜方法における、反応温度を５００℃
の場合には反応容器１の下方に配置されたシリコンウェ
ハＷのＰ濃度が高く、反応容器１の上方に向ってもＰ濃
度の変化は僅かであり、面間Ｐ濃度が均一となる。ま
た、曲線Ａ２で明らかなように、反応容器１の下方に配
置されたシリコンウェハＷのシート抵抗は、反応容器１
の上方に向っても、シート抵抗は一定である。

【００４７】このように反応温度を従来、通常に行われ
ていた温度より低くし、４８０〜５３０℃、望ましくは
５００℃にすること及びＳｉＨ_４ ガス流量を３００〜
１０００ＳＣＣＭ、望ましくは８００ＳＣＣＭにするこ
とにより、面間りん濃度の均一化が図れるとともに、ア
ニール後のシート抵抗値も均一となるという良好な結果
を得ることができた。なお、面間のりん濃度とシート抵
抗が均一であれば膜厚の面間方向の均一性が図れること
は周知の事実である。

【００４８】また、熱処理装置としては、前記実施例に
限らず、例えば常圧ＣＶＤ装置、プラズマＣＶＤ装置等
にも適用することができる。さらに、被処理体として
は、シリコンウェハに限らず、例えばガラス基板等にも
適用できるのは勿論である。

【００４９】以上要するに、この発明方法によれば、り
んドープドポリシリコンを成膜するに際して、反応温度
を４３０〜５３０℃の範囲の低い温度に設定し、同時に
ＳｉＨ_４ ガス流量を３００〜１０００ＳＣＣＭと大流
量に設定したので、従来方法と比較して面間膜厚の均一
化が図れるとともに、アニール後のシート抵抗値も均一
となり、均一な性能の被処理体を得ることができる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、減圧された反応容器内にＳｉＨ_４ガスとＰＨ_３ を
含むドープ用ガスを供給して被処理体の表面にドーパン
トの含まれたポリシリコンを形成する際に、被処理体の
反応温度を４８０〜５３０℃の範囲に設定するととも
に、ＳｉＨ_４ ガス流量を３００〜１０００ＳＣＣＭの
範囲に設定することにより、面間膜厚の均一化が図れる
とともに、アニール後のシート抵抗値も均一となり、均
一な性能の被処理体を得ることができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す縦型ＣＶＤ装置の要
部の縦断側面図。

【図２】りん添加ポリシリコンを成膜するに際し、反応
容器内のシリコンウェハの位置の相違によるＰ濃度とシ
ート抵抗の変化を示すグラフ。

【符号の説明】

１…反応容器 １３…ウェハボート Ｗ…シリコンウェハ（被処理体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/223

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 縦型の反応容器内に縦型ウェハボートを
   設け、この縦型ウェハボートに複数枚の被処理体を対面
   する面の相互間隔が実質的に一様となるように配設し、
   減圧された前記反応容器内の下部に開口するガス導入管
   からＳｉＨ_４ガスとＰＨ_３ を含むドープ用ガスを供給
   して前記被処理体の表面にりんの含まれたポリシリコン
   を形成するりんドープドポリシリコンの成膜方法におい
   て、前記被処理体の反応温度を４８０〜５３０℃の範囲
   に設定するとともに、ＳｉＨ_４ ガス流量を３００〜１
   ０００ＳＣＣＭの範囲に設定することを特徴とするりん
   ドープドポリシリコンの成膜方法。