JP3706811B2 - 半導体装置の製造方法、基板処理方法、及び半導体製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法、基板処理方法、及び半導体製造装置に係り、特にガラス、ウェーハ等の基板上に形成される下地膜であるポリシリコン膜やアモルファスシリコン膜などのシリコン膜中にリンを拡散するリン拡散方法を改善したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において「拡散工程」は、例えばリン、ヒ素、ホウ素などの不純物元素をシリコン基板中に拡散させる工程である。この中で、リン拡散は、ＭＯＳトランジスタのゲート電極や、抵抗、配線材料として用いられるポリシリコン膜の成膜後に、ｎ型不純物であるリン（Ｐ）を拡散により導入して、比抵抗あるいはシート抵抗の制御を行うものである。
【０００３】
図４に、そのような従来のリン拡散を行う拡散装置の概略構成図を示す。ガス供給配管１を通るホスフィンガス又は、ホスフィンを含む混合ガスは分解、活性化する必要がある。このガスを分解、活性化する方法として、ガス予備加熱室２で加熱する方法、プラズマ発生装置６によりガスをプラズマ化する方法、あるいは反応管５内でＳｉウェーハＷを加熱するエネルギーを利用する方法などが採られている。ガス予備加熱室２あるいはプラズマ発生装置６で活性化されたガスは、ガス導入フランジ３から石英チューブなどで構成された反応管５に供給される。反応管５内には、表面にポリシリコン膜やアモルファスシリコン膜等のシリコン膜が形成されているウェーハＷが挿入されており、ヒータ４により加熱されている。この加熱されたウェーハＷ上に、活性化されたホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流すことにより、シリコン膜中にリンが拡散する。反応管５に供給されたガスは、真空ポンプ８で引かれて排気フランジ７からガス排気配管９を通って排気される。
【０００４】
このようにリン拡散処理プロセスとして、ポリシリコン膜やアモルファスシリコン膜等のシリコン膜が形成さているウェーハを加熱したのち、ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流し、シリコン膜にリンを拡散させている。ここでガスを流すタイミングについて、従来は、ウェーハＷが拡散処理温度にまで昇温された後に、ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板が処理温度までに昇温された後にガスを流す従来の方法では、次のような問題があった。
【０００６】
（１）下地がポリシリコン膜の場合、リンは拡散しずらい。また下地膜がアモルファスシリコン膜の場合、基板の昇温により、アモルファスシリコンがポリシリコンに推移してしまう。ポリシリコンへ推移したあとはリンが拡散しずらくなる傾向がある。
【０００７】
（２）また基板昇温の際、その昇温過程の温度面内分布で基板面内のポリシリコン化に偏差が生じるため、基板面内のリンの拡散濃度を均一に制御できない。
【０００８】
本発明は、アモルファスシリコン膜とポリシリコン膜とではリンの入り方が違い、ポリシリコン膜ではなかなか入りずらいということを見い出し、ポリシリコン膜に推移する前のアモルファスシリコン膜、またはアモルファスとポリの混晶状態であるうちに、リンを拡散させることで、５族のリン、４族のシリコンという元素の特性を活かし、シリコンのポリ化の律速を促し、リンがドープし易い状況をつくるという知見に基づいて本発明に到達した。
【０００９】
本発明の課題は、ドーパントガスを流し始めるタイミングを変えることによって、前述した従来技術の問題点を解決し、リン拡散が容易で、リン拡散濃度を容易に制御できる半導体装置の製造方法及び半導体製造装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、表面にシリコン膜が形成された基板を処理温度まで昇温させる工程と、前記シリコン膜中にリンを拡散させる工程とを有し、前記基板を処理温度まで昇温させる過程において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１１】
前記基板はガラスやＳｉウェーハ等である。また、処理温度は、不純物（ドーパント）であるリンを拡散現象を利用して、所望の拡散深さ及び濃度分布でシリコン膜の任意の領域に導入するために必要な温度である。基板上に流すガスはホスフィンガス単独でも、あるいはホスフィンを含む混合ガスでもよい。半導体装置はＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等である。
【００１２】
第１の発明によれば、基板が処理温度に上昇するまでの基板昇温過程で、基板を処理温度まで昇温する前にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒すので、処理温度まで昇温した後にガスに晒す場合に比して、リンがシリコン膜に入りやすいから、シリコン膜中へのリンの拡散が促進し、リン濃度の均一性が向上する。
【００１３】
第１の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記基板上にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段とすることができる。
【００１４】
また、第１の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記反応室内に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段としてもよい。これによれば、ガス導入工程と基板昇温工程とを並行して行うので、スループットが向上する。
【００１５】
また、第１の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記基板を反応室に挿入後、前記基板昇温前に前記反応室内に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入して封じ込め、前記基板の昇温時に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを停止して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段としてもよい。これによれば、ガス導入工程と基板昇温工程とを別々に行うこととなるため、スループットが悪くなるが、ガス導入工程と基板昇温工程とを並行して行うのと同様な効果が得られる。
【００１６】
また、第１の発明において、前記ホスフィンを含む混合ガスを、ホスフィンと窒素とを含む混合ガス、ホスフィンと水素とを含む混合ガス、あるいはホスフィンとヘリウムとを含む混合ガスとすることができる。
【００１７】
また、第１の発明において、前記処理温度は４５０〜８００℃であることが好ましい。リン拡散処理中はポリ化温度（約６００℃以上）になるとドープが律速されるので、４５０℃〜の低温プロセスとした方がよい。上限温度は、基板処理後の排気時のアウトディフュージョンを考慮すると８００℃である。
【００１８】
また、第１の発明において、前記基板を処理温度まで上昇させる基板昇温過程において、昇温時間は１〜３分であることが好ましい。キャパシタ下部のトランジスタ内のＷＥＬＬ拡散層への被加熱時間を低減させるために時間の短縮化が要請されるからである。
【００１９】
また、第１の発明において、前記シリコン膜は、アモルファスとポリとの混晶状態にある場合も含まれる。アモルファスとポリとの混晶状態にある場合としては、ＨＳＧ(Hemi-spherical Grained Silicon)等がある。
【００２０】
また、第１の発明において、前記基板の温度が処理温度に到達後も、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒し続けることが好ましい。基板の温度が処理温度に到達後も、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒し続けると、シリコン膜中へのリンの拡散が一層促進し、リン濃度及び、リン濃度の均一性が更に向上する。
【００２１】
第２の発明は、表面にシリコン膜が形成された基板を処理温度まで昇温させる工程と、前記シリコン膜中にリンを拡散させる工程とを有し、前記シリコン膜が結晶化する前に、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００２２】
第２の発明では、シリコン膜が結晶化する前に、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒している。このため、完全に結晶化する前のシリコン膜であるうちにリンを拡散できる。その結果、リンドープ・シリコン膜のリン濃度及びリン濃度の均一性を向上させることができる。また、結晶化に偏差が生じる前に、ガスを流すから、基板面内のリンの拡散濃度を均一に制御できる。
【００２３】
また、第２の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記基板上にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段とすることができる。
【００２４】
また、第２の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記基板を反応室に挿入後、前記基板昇温前に前記反応室内に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入して封じ込め、前記基板の昇温時に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを停止して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段としてもよい。
【００２５】
第３の発明は、表面にシリコン膜が形成された基板を処理温度まで昇温させる工程と、前記シリコン膜中にリンを拡散させる工程とを有し、前記基板を処理温度まで昇温させる過程において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させることを特徴とする特徴とする基板処理方法である。
【００２６】
第３の発明によれば、基板が処理温度に上昇するまでの基板昇温過程で、基板を処理温度まで昇温する前にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒すので、処理温度まで昇温した後にガスに晒す場合に比して、リンがシリコン膜に入りやすいから、シリコン膜中へのリンの拡散が促進し、リン濃度及びリン濃度の均一性が向上する。
【００２７】
第３の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記基板上にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段としてもよい。
【００２８】
また、第３の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記基板を反応室に挿入後、前記基板昇温前に前記反応室内に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入して封じ込め、前記基板の昇温時に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを停止して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段としてもよい。
【００２９】
第４の発明は、反応管と、前記反応管内にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入するガス導入機構と、前記反応管内に導入されたガスを排気するガス排気機構と、表面にシリコン膜が形成された基板を前記反応管内で処理温度まで昇温させる加熱手段と、前記基板を処理温度まで昇温させる過程において、前記ガス導入機構を制御して前記反応管内へ前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入させる制御手段とを備えた半導体製造装置である。
【００３０】
制御手段により混合ガスを流すタイミングを、処理温度に到達してからではなく、処理温度到達前の基板昇温過程からにするという簡単な構成で、基板温度が処理温度まで上昇する前からリンを拡散させることができるので、リン濃度を向上させることができ基板面内のリン濃度の分布が均一となるように拡散制御することができる。
【００３１】
第４の発明において、前記加熱手段をヒータとし、前記制御手段をコントローラとすることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る半導体装置の製造方法ないし基板処理方法を実施するためのリン拡散工程を図１を用いて説明する。基板に単結晶Ｓｉウェーハを用いる。まず図１（ａ）に示す単結晶Ｓｉウェーハ１０を図示していない酸化炉へ挿入し、１０００℃の加熱状態でＳｉウェーハ１０の表面に膜厚１０００オングストロームのＳｉＯ2膜１１を形成する（図１（ｂ））。
【００３３】
次に、このＳｉＯ2膜１１を形成したウェーハ１５を酸化炉から取り出し、図示していない低圧ＣＶＤ炉に挿入する。この低圧ＣＶＤ炉にモノシランガスを５５０℃以下で供給して、前記ＳｉＯ2膜１１上にアモルファスシリコン膜１２を膜厚４８０オングストローム形成する（図１（ｃ））。この場合の反応式は
ＳｉＨ4(気体)→ａ−Ｓｉ+２Ｈ2(気体)
である。ここでａ−Ｓｉはアモルファスシリコンを意味する。
【００３４】
次に、上記アモルファスシリコン膜１２の形成されたウェーハ１５を拡散炉に挿入して、アモルファスシリコン膜１２に対するリン拡散を実施する。すなわち、１３３Ｐａ程度の低圧状態で加熱された反応管内の反応室にウェーハを搬送して加熱する。拡散条件は、温度８００℃以下、圧力４０００Ｐａ以下の所定の処理温度、所定の炉内圧力とする。ドーパントガスは、例えば、Ｎ2ガス中に１％のホスフィン（ＰＨ3）ガスを含んだ混合ガスとする。この混合ガスを流量０．５ｓｌｍ以下で反応室に供給する。混合ガスの供給は、ウェハが温度８００℃以下の所定の処理温度になるのを待ってからではなく、ウェハを昇温するときから開始する。混合ガスを所定時間ウェーハ１５上へ流すことにより下地膜であるアモルファスシリコン膜１２中にリンを拡散させる（図１（ｄ））。なお、上記混合ガスに代えて、Ｈ2ガス中にＰＨ3ガスを含んだ混合ガス、あるいはＨｅガス中にＰＨ3ガスを含んだ混合ガスとしてもよい。
【００３５】
この場合の反応式は
ＰＨ3(気体)+Ｓｉ→Ｐ−Ｓｉ+（３／２）Ｈ2
である。ここでＰ−Ｓｉはリンがドープされたポリシリコンを意味する。なお、（３／２）Ｈ2は拡散炉から排気させる。
【００３６】
上記実施の形態で用いた拡散炉２１を含む拡散装置の概略構成図を図２に示す。
【００３７】
拡散炉２１はホットウォール型の枚葉式装置であり、内部に反応室２２ａを形成する反応管２２、反応管２２の入口に設けたガス導入フランジ２８、反応管２２の出口に設けた排気フランジ２９、および加熱手段としてのヒータ２１から主に構成される。反応管２２は、石英チューブなどで構成される。反応室２２ａには、表面にアモルファスシリコン膜等のシリコン膜が形成されているウェーハ２３が挿入される。ウェーハ２３は一枚もしくは、数枚ずつ挿入され、平置きされる。
【００３８】
反応室２２ａのウェーハ２３は、反応管２２の外周に設けたヒータ２４により所定の処理温度まで昇温加熱される。ヒータ２４は例えば抵抗加熱ヒータで構成することができる。
【００３９】
この拡散炉２１にホスフィン（ＰＨ3）ガス単独、又はホスフィンを含んだ混合ガス、例えばＰＨ3とＮ2の混合ガスをガス供給配管２５を通して導入する。ガス供給配管２５を通るホスフィン、又はホスフィンを含む混合ガスは所定のタイミングでガス導入フランジ２８より反応室２２ａに供給され、分解、活性化する。反応室２２ａに供給されたガスは、真空ポンプ３０で引かれて排気フランジ２９からガス排気配管３１を通って排気される。
【００４０】
また、前述したガス供給配管２５の途中に制御弁２６を設けてある。混合ガスの反応室２２ａへの供給タイミングは、制御部２７によって制御弁２６を制御することによって決定される。また、反応室２２ａの圧力は、ガス排気配管３１に設けた自動圧力制御弁（図示せず）を、反応室２２ａの圧力に応じて開閉することによって制御している。この制御は前述した制御部２７によって実現している。
【００４１】
前述したガス供給配管２５によって本発明のガス導入機構が構成される。前記真空ポンプ３０、ガス排気配管３１によってガス排気機構が構成される。また、前記制御部２７、制御弁２６によって制御手段が構成される。
【００４２】
次に本拡散装置を用いてシリコン膜にリンを拡散させる方法について説明する。
【００４３】
表面にアモルファスシリコン膜等のシリコン膜が形成されているウェーハ２３を反応室２２ａに挿入する。ウェーハ挿入とともに、ヒータ２４によるウェーハ２３の昇温を開始して、所定時間かけて処理温度まで加熱する。ウェーハ挿入後、反応室２２ａをＮ2ガスで所定時間パージする。Ｎ2パージ後、制御部２７による制御によって制御弁２６が開放され、ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガス、例えばＰＨ3とＮ2の混合ガスが、ウェーハ昇温中およびウェーハ昇温後も拡散炉２１へ継続して供給される。供給されたガスは、ガス導入フランジ２８から反応室２２ａに流れ、反応室２２ａの圧力が所定圧力になるように排気フランジ２９からガス排気される。ウェーハ昇温中およびウェーハ昇温後もシリコン膜がＰＨ3に晒されて、ウェーハ２３上のシリコン膜中にリンが気相拡散する。所定時間混合ガスを流した後、混合ガスの供給は止められ、リン拡散が終了する。残留ガスを排気後、ウェーハ２３を反応室２２ａから取り出す。
【００４４】
ここで、リン拡散の好ましい処理条件（プロセスレシピ）は、次の通りである。
【００４５】
（ａ）処理温度
ドープされるシリコン膜がアモルファスシリコンであったのが、加熱されてポリ化温度（約６００℃以上）になると、原子の結合の関係でドープが律速されるので、処理温度は低温化した方がよい。また下地の拡散層（シリコン膜）への加熱抑制も低温プロセスの方が制御が容易になる。他方、リン拡散のレシピイベントは大きく分けて、昇温（プレドープ）、本ドープ、排気の３つからなるが、排気時に８００℃を超えるとアウトディフュージョンが起こり、シリコン膜に入ったリンが出ていく割合が高くなる。したがって、全体的に低温化が要請されることから、処理温度は４５０〜８００℃が好ましい。前記プレドープとは基板の昇温途中でリンをドープすることをいい、本ドープとは基板が処理温度に昇温した後にリンをドープすることをいう。
【００４６】
（ｂ）圧力
上記レシピイベント中の排気のイベントタイムの短縮化と、要請されるドープ（Ｐ濃度）量とを考慮すると、圧力は数百Ｐａ〜数万Ｐａが好ましい。
【００４７】
（ｃ）ガス種
混合ガスは、ドーパントを含む原料ガスと、これを運ぶキャリアガスとからなる。原料ガスとしてはリン（Ｐ）を含むガス、例えばホスフィン（ＰＨ3）が好ましい。キャリアガスとしては水素（Ｈ2）または不活性ガス（Ｎ2、Ｈｅ）等がよい。具体的には１％ＰＨ3／Ｎ2ベース、１％ＰＨ3／Ｈ2ベース、又は１％ＰＨ3／Ｈｅベースがよい。ここで１％ＰＨ3／Ｎ2ベースとは、ベースとなるＮ2ガス中にホスフィンガスＰＨ3が１％含まれるとの意味である。なお、キャリアガスは、一般的にはパージガスと同じＮ2を使用する。
【００４８】
（ｄ）ガス流量
ドープ濃度及び処理圧力にもよるが、ランニングコスト低減のために低流量化が要請されることから、ガス流量は０．０１〜０．５ｓｌｍが好ましい。
【００４９】
（ｅ）昇温時間
下地の拡散層領域制御の点で短縮化する必要があることから、昇温時間は１〜３ｍｉｎが好ましい。例えば、２ｍｉｎとした場合、Ｎ2ガスパージ時間は０．５ｍｉｎ、ＰＨ3供給時間は１．５ｍｉｎである。
【００５０】
（ｆ）ウェーハ挿入から取出しまでの時間
短縮化の必要なパラメータであり、スループットを考慮すると、ウェーハ挿入から取出しまでの時間は、３．０〜１０．０ｍｉｎが好ましい。例えば６．０ｍｉｎとした場合、昇温（プレドープを含む）時間は３．０ｍｉｎ、本ドープ時間２．０ｍｉｎ、排気時間１．０ｍｉｎである。
【００５１】
（ｇ）ウェーハ挿入からＰＨ3導入までの時間
プレドープ開始までの時間であり、レシピ開始直後にＰＨ3を流すことはガスインターロックの関係から困難であり、若干のインターバルを考慮すると、ウェーハ挿入からＰＨ3導入までの時間は５．０ｓｅｃ〜０．５ｍｉｎが好ましい。
【００５２】
（ｈ）ＰＨ3を供給している時間
ドープ（Ｐ濃度）量にもよるが、時間短縮化やスループットを考慮すると、ＰＨ3を供給している時間は１．０〜７．０ｍｉｎが好ましい。なお、この時間はプレドープと本ドープの総和時間を意味している。
【００５３】
（ｉ）排気（残留ガス除去）時間
アウトディフュージョンを抑制するために短縮化する必要があり、Ｎ2置換時間と前記アウトディフュージョンを含めると、排気（残留ガス除去）時間は０．５〜２．０ｍｉｎが好ましい。
【００５４】
ここでウェーハ挿入後からＰＨ3フロー開始までのタイミングがリン濃度に与える影響について評価した。図３は評価用のプロセスレシピであり、（ａ）は比較例、（ｂ）、（ｃ）は実施例であり、ウェーハ挿入後、ＰＨ3フロー開始までのタイミングを変えてある。炉内温度は７００〜８００℃、炉内圧力は２０００〜４０００Ｐa、ドーパントガスはＮ2ガス中に１％のホスフィン（ＰＨ3）を含んだ混合ガス、混合ガス流量は０．５ｓｌｍ以下で任意の設定を共通条件とした。またウェーハ挿入からウェーハ温度が処理温度に昇温するまでの所要時間をＴ2分（図３（ｄ））として昇温時間も共通とした。さらに実施例（ｃ）を除く、比較例（ａ）と実施例（ｂ）とにあっては、ウェーハ挿入からウェーハ取出しまでの時間をＴ4分として、トータルの処理時間も共通とした。
【００５５】
図３（ａ）に示す比較例のプロセスレシピにしたがうと、０〜Ｔ2分でＮ2パージを行い、Ｔ2分からＰＨ3フローを開始してＴ3分で終了し、Ｔ3〜Ｔ4分で排気する。この比較例では、ＰＨ3フローはウェーハ温度が処理温度となった後に開始している。このときのウェーハ面内のリン濃度の均一性は±４．８％であり、リン濃度は３．８×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であった。
【００５６】
図３（ｂ）に示す実施例のプロセスレシピにしたがうと、０〜Ｔ1分でＮ2パージを行い、Ｔ1分からＰＨ3フローを開始して、比較例と同様にＴ3分まで継続してＰＨ3フローを行った。このＰＨ3フローでは、炉内が処理温度に達するＴ2分まではプレドープとなり、炉内が処理温度に達するＴ2分からは本ドープとなる。ＰＨ3フローを停止し、Ｔ3〜Ｔ4分で排気する。この実施例では、ＰＨ3フローはウェーハ温度が処理温度になる前に開始している。このとき、ウェーハ面内のリン濃度均一性は±３．１％であり、リン濃度は４．２×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であった。なお、この条件でリン濃度均一性±３％未満を達成している。
【００５７】
また図３（ｃ）に示す実施例のプロセスレシピにしたがうと、０〜Ｔ1分でＮ2パージを行い、Ｔ1分からＰＨ3フローを開始して、図３（ａ）の比較例や図３（ｂ）の実施例よりもさらに長く、ｔ3分まで継続してＰＨ3フローを行った。したがって、プレドープはＴ1〜Ｔ2分、本ドープはＴ2〜ｔ3分である。ＰＨ3フローを停止し、ｔ3〜ｔ4分で排気して、ウェーハ挿入から取出しまでの時間をｔ4分とした（Ｔ4＜ｔ4）。この実施例では、シリコン膜中へのリンの拡散を一層促進し、リン濃度の均一性を更に向上させるために、ウェーハ温度が処理温度に到達した後も比較的長い時間ＰＨ3フローを継続している。このとき、ウェーハ面内のリン濃度均一性は約±１．５％であり、リン濃度は５．０×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であった。
【００５８】
この評価結果から、ウェーハ挿入後からＰＨ3フローまでの開始タイミングが、Ｔ2分より前、すなわちウェーハ温度が処理温度となる前に設定されていると、昇温中にシリコン膜をＰＨ3に晒すことができ、リンがシリコン膜にドープされることで、昇温によるシリコン膜のポリ化の律速を促し、シリコン膜が完全にポリ化する前にリンを拡散することができるので、ウェーハ面内のリン濃度分布が良好になることが分った。
【００５９】
以上述べたことから、反応室２２ａへの供給タイミングは、ウェーハ挿入後、ウェーハ面内温度偏差が生じる前、すなわち完全にポリシリコン化する前に混合ガスを流すように、制御部２７によって制御弁２６を制御するとよい。このように混合ガス流の開始タイミングを制御すると、昇温過程でウェーハ温度が面内で不均一になって偏差が生じても、リン濃度分布が昇温過程の熱履歴を含まない面内分布になる。したがって、均一な濃度分布に制御すること、及び下地の結晶性（アモルファスシリコンからポリシリコンへ変化する）が与える膜質を制御することが容易となる。
【００６０】
なお、上記実施の形態では下地がアモルファスシリコンの場合について述べたが、本発明はこれに限定されない。シリコン膜は、アモルファスとポリとの混晶状態にあってもよい。例えば下地がＨＳＧである場合にも本発明を適用できる。ＨＳＧは、アモルファスシリコン膜表面に形成される起伏の激しい半球状結晶粒である。このＨＳＧは、アモルファスからポリ（多結晶）に移行する過程の状態と考えられ、アモルファスとポリとの混晶状態である。したがって、下地がＨＳＧの場合であっても、完全にポリ化する前にリンの拡散を開始すれば、シリコン膜中へのリンの拡散が促進し、リン濃度の均一性が向上する。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコン膜の形成された基板にリンを拡散するに際し、基板が昇温過程のときに、基板をホスフィン、またはホスフィンを含む混合ガスに晒すことで、ポリシリコン膜へ変化する前のシリコン膜の形成された基板にリンを拡散できる。このためリン拡散が容易で、リン拡散濃度を基板面内で均一に制御でき、リンドープ・ポリシリコン膜のリン濃度の均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態によるリン拡散方法の実施形態を示す工程図である。
【図２】実施の形態による拡散装置の概略構成図である。
【図３】比較例と実施例とのリン拡散プロセスレシピの比較説明図である。
【図４】従来の拡散装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１０ 単結晶シリコンウェーハ（基板）
１１ ＳｉＯ2膜
１２ アモルファスシリコン膜
１５ ウェーハ（基板）
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法、基板処理方法、及び半導体製造装置に係り、特にガラス、ウェーハ等の基板上に形成される下地膜であるポリシリコン膜やアモルファスシリコン膜などのシリコン膜中にリンを拡散するリン拡散方法を改善したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において「拡散工程」は、例えばリン、ヒ素、ホウ素などの不純物元素をシリコン基板中に拡散させる工程である。この中で、リン拡散は、ＭＯＳトランジスタのゲート電極や、抵抗、配線材料として用いられるポリシリコン膜の成膜後に、ｎ型不純物であるリン（Ｐ）を拡散により導入して、比抵抗あるいはシート抵抗の制御を行うものである。
【０００３】
図４に、そのような従来のリン拡散を行う拡散装置の概略構成図を示す。ガス供給配管１を通るホスフィンガス又は、ホスフィンを含む混合ガスは分解、活性化する必要がある。このガスを分解、活性化する方法として、ガス予備加熱室２で加熱する方法、プラズマ発生装置６によりガスをプラズマ化する方法、あるいは反応管５内でＳｉウェーハＷを加熱するエネルギーを利用する方法などが採られている。ガス予備加熱室２あるいはプラズマ発生装置６で活性化されたガスは、ガス導入フランジ３から石英チューブなどで構成された反応管５に供給される。反応管５内には、表面にポリシリコン膜やアモルファスシリコン膜等のシリコン膜が形成されているウェーハＷが挿入されており、ヒータ４により加熱されている。この加熱されたウェーハＷ上に、活性化されたホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流すことにより、シリコン膜中にリンが拡散する。反応管５に供給されたガスは、真空ポンプ８で引かれて排気フランジ７からガス排気配管９を通って排気される。
【０００４】
このようにリン拡散処理プロセスとして、ポリシリコン膜やアモルファスシリコン膜等のシリコン膜が形成さているウェーハを加熱したのち、ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流し、シリコン膜にリンを拡散させている。ここでガスを流すタイミングについて、従来は、ウェーハＷが拡散処理温度にまで昇温された後に、ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板が処理温度までに昇温された後にガスを流す従来の方法では、次のような問題があった。
【０００６】
（１）下地がポリシリコン膜の場合、リンは拡散しずらい。また下地膜がアモルファスシリコン膜の場合、基板の昇温により、アモルファスシリコンがポリシリコンに推移してしまう。ポリシリコンへ推移したあとはリンが拡散しずらくなる傾向がある。
【０００７】
（２）また基板昇温の際、その昇温過程の温度面内分布で基板面内のポリシリコン化に偏差が生じるため、基板面内のリンの拡散濃度を均一に制御できない。
【０００８】
本発明は、アモルファスシリコン膜とポリシリコン膜とではリンの入り方が違い、ポリシリコン膜ではなかなか入りずらいということを見い出し、ポリシリコン膜に推移する前のアモルファスシリコン膜、またはアモルファスとポリの混晶状態であるうちに、リンを拡散させることで、５族のリン、４族のシリコンという元素の特性を活かし、シリコンのポリ化の律速を促し、リンがドープし易い状況をつくるという知見に基づいて本発明に到達した。
【０００９】
本発明の課題は、ドーパントガスを流し始めるタイミングを変えることによって、前述した従来技術の問題点を解決し、リン拡散が容易で、リン拡散濃度を容易に制御できる半導体装置の製造方法及び半導体製造装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、表面にシリコン膜が形成された基板を処理温度まで昇温させる工程と、前記シリコン膜中にリンを拡散させる工程とを有し、前記基板を処理温度まで昇温させる過程において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１１】
前記基板はガラスやＳｉウェーハ等である。また、処理温度は、不純物（ドーパント）であるリンを拡散現象を利用して、所望の拡散深さ及び濃度分布でシリコン膜の任意の領域に導入するために必要な温度である。基板上に流すガスはホスフィンガス単独でも、あるいはホスフィンを含む混合ガスでもよい。半導体装置はＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等である。
【００１２】
第１の発明によれば、基板が処理温度に上昇するまでの基板昇温過程で、基板を処理温度まで昇温する前にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒すので、処理温度まで昇温した後にガスに晒す場合に比して、リンがシリコン膜に入りやすいから、シリコン膜中へのリンの拡散が促進し、リン濃度の均一性が向上する。
【００１３】
第１の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記基板上にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段とすることができる。
【００１４】
また、第１の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記反応室内に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段としてもよい。これによれば、ガス導入工程と基板昇温工程とを並行して行うので、スループットが向上する。
【００１５】
また、第１の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記基板を反応室に挿入後、前記基板昇温前に前記反応室内に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入して封じ込め、前記基板の昇温時に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを停止して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段としてもよい。これによれば、ガス導入工程と基板昇温工程とを別々に行うこととなるため、スループットが悪くなるが、ガス導入工程と基板昇温工程とを並行して行うのと同様な効果が得られる。
【００１６】
また、第１の発明において、前記ホスフィンを含む混合ガスを、ホスフィンと窒素とを含む混合ガス、ホスフィンと水素とを含む混合ガス、あるいはホスフィンとヘリウムとを含む混合ガスとすることができる。
【００１７】
また、第１の発明において、前記処理温度は４５０〜８００℃であることが好ましい。リン拡散処理中はポリ化温度（約６００℃以上）になるとドープが律速されるので、４５０℃〜の低温プロセスとした方がよい。上限温度は、基板処理後の排気時のアウトディフュージョンを考慮すると８００℃である。
【００１８】
また、第１の発明において、前記基板を処理温度まで上昇させる基板昇温過程において、昇温時間は１〜３分であることが好ましい。キャパシタ下部のトランジスタ内のＷＥＬＬ拡散層への被加熱時間を低減させるために時間の短縮化が要請されるからである。
【００１９】
また、第１の発明において、前記シリコン膜は、アモルファスとポリとの混晶状態にある場合も含まれる。アモルファスとポリとの混晶状態にある場合としては、ＨＳＧ(Hemi-spherical Grained Silicon)等がある。
【００２０】
また、第１の発明において、前記基板の温度が処理温度に到達後も、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒し続けることが好ましい。基板の温度が処理温度に到達後も、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒し続けると、シリコン膜中へのリンの拡散が一層促進し、リン濃度及び、リン濃度の均一性が更に向上する。
【００２１】
第２の発明は、表面にシリコン膜が形成された基板を処理温度まで昇温させる工程と、前記シリコン膜中にリンを拡散させる工程とを有し、前記シリコン膜が結晶化する前に、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００２２】
第２の発明では、シリコン膜が結晶化する前に、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒している。このため、完全に結晶化する前のシリコン膜であるうちにリンを拡散できる。その結果、リンドープ・シリコン膜のリン濃度及びリン濃度の均一性を向上させることができる。また、結晶化に偏差が生じる前に、ガスを流すから、基板面内のリンの拡散濃度を均一に制御できる。
【００２３】
また、第２の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記基板上にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段とすることができる。
【００２４】
また、第２の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記基板を反応室に挿入後、前記基板昇温前に前記反応室内に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入して封じ込め、前記基板の昇温時に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを停止して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段としてもよい。
【００２５】
第３の発明は、表面にシリコン膜が形成された基板を処理温度まで昇温させる工程と、前記シリコン膜中にリンを拡散させる工程とを有し、前記基板を処理温度まで昇温させる過程において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させることを特徴とする特徴とする基板処理方法である。
【００２６】
第３の発明によれば、基板が処理温度に上昇するまでの基板昇温過程で、基板を処理温度まで昇温する前にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒すので、処理温度まで昇温した後にガスに晒す場合に比して、リンがシリコン膜に入りやすいから、シリコン膜中へのリンの拡散が促進し、リン濃度及びリン濃度の均一性が向上する。
【００２７】
第３の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記基板上にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段としてもよい。
【００２８】
また、第３の発明において、前記基板をホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスに晒して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段を、前記基板を反応室に挿入後、前記基板昇温前に前記反応室内に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入して封じ込め、前記基板の昇温時に前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを停止して、前記シリコン膜中にリンを拡散させる手段としてもよい。
【００２９】
第４の発明は、反応管と、前記反応管内にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入するガス導入機構と、前記反応管内に導入されたガスを排気するガス排気機構と、表面にシリコン膜が形成された基板を前記反応管内で処理温度まで昇温させる加熱手段と、前記基板を処理温度まで昇温させる過程において、前記ガス導入機構を制御して前記反応管内へ前記ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入させる制御手段とを備えた半導体製造装置である。
【００３０】
制御手段により混合ガスを流すタイミングを、処理温度に到達してからではなく、処理温度到達前の基板昇温過程からにするという簡単な構成で、基板温度が処理温度まで上昇する前からリンを拡散させることができるので、リン濃度を向上させることができ基板面内のリン濃度の分布が均一となるように拡散制御することができる。
【００３１】
第４の発明において、前記加熱手段をヒータとし、前記制御手段をコントローラとすることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る半導体装置の製造方法ないし基板処理方法を実施するためのリン拡散工程を図１を用いて説明する。基板に単結晶Ｓｉウェーハを用いる。まず図１（ａ）に示す単結晶Ｓｉウェーハ１０を図示していない酸化炉へ挿入し、１０００℃の加熱状態でＳｉウェーハ１０の表面に膜厚１０００オングストロームのＳｉＯ2膜１１を形成する（図１（ｂ））。
【００３３】
次に、このＳｉＯ2膜１１を形成したウェーハ１５を酸化炉から取り出し、図示していない低圧ＣＶＤ炉に挿入する。この低圧ＣＶＤ炉にモノシランガスを５５０℃以下で供給して、前記ＳｉＯ2膜１１上にアモルファスシリコン膜１２を膜厚４８０オングストローム形成する（図１（ｃ））。この場合の反応式は
ＳｉＨ4(気体)→ａ−Ｓｉ+２Ｈ2(気体)
である。ここでａ−Ｓｉはアモルファスシリコンを意味する。
【００３４】
次に、上記アモルファスシリコン膜１２の形成されたウェーハ１５を拡散炉に挿入して、アモルファスシリコン膜１２に対するリン拡散を実施する。すなわち、１３３Ｐａ程度の低圧状態で加熱された反応管内の反応室にウェーハを搬送して加熱する。拡散条件は、温度８００℃以下、圧力４０００Ｐａ以下の所定の処理温度、所定の炉内圧力とする。ドーパントガスは、例えば、Ｎ2ガス中に１％のホスフィン（ＰＨ3）ガスを含んだ混合ガスとする。この混合ガスを流量０．５ｓｌｍ以下で反応室に供給する。混合ガスの供給は、ウェハが温度８００℃以下の所定の処理温度になるのを待ってからではなく、ウェハを昇温するときから開始する。混合ガスを所定時間ウェーハ１５上へ流すことにより下地膜であるアモルファスシリコン膜１２中にリンを拡散させる（図１（ｄ））。なお、上記混合ガスに代えて、Ｈ2ガス中にＰＨ3ガスを含んだ混合ガス、あるいはＨｅガス中にＰＨ3ガスを含んだ混合ガスとしてもよい。
【００３５】
この場合の反応式は
ＰＨ3(気体)+Ｓｉ→Ｐ−Ｓｉ+（３／２）Ｈ2
である。ここでＰ−Ｓｉはリンがドープされたポリシリコンを意味する。なお、（３／２）Ｈ2は拡散炉から排気させる。
【００３６】
上記実施の形態で用いた拡散炉２１を含む拡散装置の概略構成図を図２に示す。
【００３７】
拡散炉２１はホットウォール型の枚葉式装置であり、内部に反応室２２ａを形成する反応管２２、反応管２２の入口に設けたガス導入フランジ２８、反応管２２の出口に設けた排気フランジ２９、および加熱手段としてのヒータ２１から主に構成される。反応管２２は、石英チューブなどで構成される。反応室２２ａには、表面にアモルファスシリコン膜等のシリコン膜が形成されているウェーハ２３が挿入される。ウェーハ２３は一枚もしくは、数枚ずつ挿入され、平置きされる。
【００３８】
反応室２２ａのウェーハ２３は、反応管２２の外周に設けたヒータ２４により所定の処理温度まで昇温加熱される。ヒータ２４は例えば抵抗加熱ヒータで構成することができる。
【００３９】
この拡散炉２１にホスフィン（ＰＨ3）ガス単独、又はホスフィンを含んだ混合ガス、例えばＰＨ3とＮ2の混合ガスをガス供給配管２５を通して導入する。ガス供給配管２５を通るホスフィン、又はホスフィンを含む混合ガスは所定のタイミングでガス導入フランジ２８より反応室２２ａに供給され、分解、活性化する。反応室２２ａに供給されたガスは、真空ポンプ３０で引かれて排気フランジ２９からガス排気配管３１を通って排気される。
【００４０】
また、前述したガス供給配管２５の途中に制御弁２６を設けてある。混合ガスの反応室２２ａへの供給タイミングは、制御部２７によって制御弁２６を制御することによって決定される。また、反応室２２ａの圧力は、ガス排気配管３１に設けた自動圧力制御弁（図示せず）を、反応室２２ａの圧力に応じて開閉することによって制御している。この制御は前述した制御部２７によって実現している。
【００４１】
前述したガス供給配管２５によって本発明のガス導入機構が構成される。前記真空ポンプ３０、ガス排気配管３１によってガス排気機構が構成される。また、前記制御部２７、制御弁２６によって制御手段が構成される。
【００４２】
次に本拡散装置を用いてシリコン膜にリンを拡散させる方法について説明する。
【００４３】
表面にアモルファスシリコン膜等のシリコン膜が形成されているウェーハ２３を反応室２２ａに挿入する。ウェーハ挿入とともに、ヒータ２４によるウェーハ２３の昇温を開始して、所定時間かけて処理温度まで加熱する。ウェーハ挿入後、反応室２２ａをＮ2ガスで所定時間パージする。Ｎ2パージ後、制御部２７による制御によって制御弁２６が開放され、ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガス、例えばＰＨ3とＮ2の混合ガスが、ウェーハ昇温中およびウェーハ昇温後も拡散炉２１へ継続して供給される。供給されたガスは、ガス導入フランジ２８から反応室２２ａに流れ、反応室２２ａの圧力が所定圧力になるように排気フランジ２９からガス排気される。ウェーハ昇温中およびウェーハ昇温後もシリコン膜がＰＨ3に晒されて、ウェーハ２３上のシリコン膜中にリンが気相拡散する。所定時間混合ガスを流した後、混合ガスの供給は止められ、リン拡散が終了する。残留ガスを排気後、ウェーハ２３を反応室２２ａから取り出す。
【００４４】
ここで、リン拡散の好ましい処理条件（プロセスレシピ）は、次の通りである。
【００４５】
（ａ）処理温度
ドープされるシリコン膜がアモルファスシリコンであったのが、加熱されてポリ化温度（約６００℃以上）になると、原子の結合の関係でドープが律速されるので、処理温度は低温化した方がよい。また下地の拡散層（シリコン膜）への加熱抑制も低温プロセスの方が制御が容易になる。他方、リン拡散のレシピイベントは大きく分けて、昇温（プレドープ）、本ドープ、排気の３つからなるが、排気時に８００℃を超えるとアウトディフュージョンが起こり、シリコン膜に入ったリンが出ていく割合が高くなる。したがって、全体的に低温化が要請されることから、処理温度は４５０〜８００℃が好ましい。前記プレドープとは基板の昇温途中でリンをドープすることをいい、本ドープとは基板が処理温度に昇温した後にリンをドープすることをいう。
【００４６】
（ｂ）圧力
上記レシピイベント中の排気のイベントタイムの短縮化と、要請されるドープ（Ｐ濃度）量とを考慮すると、圧力は数百Ｐａ〜数万Ｐａが好ましい。
【００４７】
（ｃ）ガス種
混合ガスは、ドーパントを含む原料ガスと、これを運ぶキャリアガスとからなる。原料ガスとしてはリン（Ｐ）を含むガス、例えばホスフィン（ＰＨ3）が好ましい。キャリアガスとしては水素（Ｈ2）または不活性ガス（Ｎ2、Ｈｅ）等がよい。具体的には１％ＰＨ3／Ｎ2ベース、１％ＰＨ3／Ｈ2ベース、又は１％ＰＨ3／Ｈｅベースがよい。ここで１％ＰＨ3／Ｎ2ベースとは、ベースとなるＮ2ガス中にホスフィンガスＰＨ3が１％含まれるとの意味である。なお、キャリアガスは、一般的にはパージガスと同じＮ2を使用する。
【００４８】
（ｄ）ガス流量
ドープ濃度及び処理圧力にもよるが、ランニングコスト低減のために低流量化が要請されることから、ガス流量は０．０１〜０．５ｓｌｍが好ましい。
【００４９】
（ｅ）昇温時間
下地の拡散層領域制御の点で短縮化する必要があることから、昇温時間は１〜３ｍｉｎが好ましい。例えば、２ｍｉｎとした場合、Ｎ2ガスパージ時間は０．５ｍｉｎ、ＰＨ3供給時間は１．５ｍｉｎである。
【００５０】
（ｆ）ウェーハ挿入から取出しまでの時間
短縮化の必要なパラメータであり、スループットを考慮すると、ウェーハ挿入から取出しまでの時間は、３．０〜１０．０ｍｉｎが好ましい。例えば６．０ｍｉｎとした場合、昇温（プレドープを含む）時間は３．０ｍｉｎ、本ドープ時間２．０ｍｉｎ、排気時間１．０ｍｉｎである。
【００５１】
（ｇ）ウェーハ挿入からＰＨ3導入までの時間
プレドープ開始までの時間であり、レシピ開始直後にＰＨ3を流すことはガスインターロックの関係から困難であり、若干のインターバルを考慮すると、ウェーハ挿入からＰＨ3導入までの時間は５．０ｓｅｃ〜０．５ｍｉｎが好ましい。
【００５２】
（ｈ）ＰＨ3を供給している時間
ドープ（Ｐ濃度）量にもよるが、時間短縮化やスループットを考慮すると、ＰＨ3を供給している時間は１．０〜７．０ｍｉｎが好ましい。なお、この時間はプレドープと本ドープの総和時間を意味している。
【００５３】
（ｉ）排気（残留ガス除去）時間
アウトディフュージョンを抑制するために短縮化する必要があり、Ｎ2置換時間と前記アウトディフュージョンを含めると、排気（残留ガス除去）時間は０．５〜２．０ｍｉｎが好ましい。
【００５４】
ここでウェーハ挿入後からＰＨ3フロー開始までのタイミングがリン濃度に与える影響について評価した。図３は評価用のプロセスレシピであり、（ａ）は比較例、（ｂ）、（ｃ）は実施例であり、ウェーハ挿入後、ＰＨ3フロー開始までのタイミングを変えてある。炉内温度は７００〜８００℃、炉内圧力は２０００〜４０００Ｐa、ドーパントガスはＮ2ガス中に１％のホスフィン（ＰＨ3）を含んだ混合ガス、混合ガス流量は０．５ｓｌｍ以下で任意の設定を共通条件とした。またウェーハ挿入からウェーハ温度が処理温度に昇温するまでの所要時間をＴ2分（図３（ｄ））として昇温時間も共通とした。さらに実施例（ｃ）を除く、比較例（ａ）と実施例（ｂ）とにあっては、ウェーハ挿入からウェーハ取出しまでの時間をＴ4分として、トータルの処理時間も共通とした。
【００５５】
図３（ａ）に示す比較例のプロセスレシピにしたがうと、０〜Ｔ2分でＮ2パージを行い、Ｔ2分からＰＨ3フローを開始してＴ3分で終了し、Ｔ3〜Ｔ4分で排気する。この比較例では、ＰＨ3フローはウェーハ温度が処理温度となった後に開始している。このときのウェーハ面内のリン濃度の均一性は±４．８％であり、リン濃度は３．８×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であった。
【００５６】
図３（ｂ）に示す実施例のプロセスレシピにしたがうと、０〜Ｔ1分でＮ2パージを行い、Ｔ1分からＰＨ3フローを開始して、比較例と同様にＴ3分まで継続してＰＨ3フローを行った。このＰＨ3フローでは、炉内が処理温度に達するＴ2分まではプレドープとなり、炉内が処理温度に達するＴ2分からは本ドープとなる。ＰＨ3フローを停止し、Ｔ3〜Ｔ4分で排気する。この実施例では、ＰＨ3フローはウェーハ温度が処理温度になる前に開始している。このとき、ウェーハ面内のリン濃度均一性は±３．１％であり、リン濃度は４．２×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であった。なお、この条件でリン濃度均一性±３％未満を達成している。
【００５７】
また図３（ｃ）に示す実施例のプロセスレシピにしたがうと、０〜Ｔ1分でＮ2パージを行い、Ｔ1分からＰＨ3フローを開始して、図３（ａ）の比較例や図３（ｂ）の実施例よりもさらに長く、ｔ3分まで継続してＰＨ3フローを行った。したがって、プレドープはＴ1〜Ｔ2分、本ドープはＴ2〜ｔ3分である。ＰＨ3フローを停止し、ｔ3〜ｔ4分で排気して、ウェーハ挿入から取出しまでの時間をｔ4分とした（Ｔ4＜ｔ4）。この実施例では、シリコン膜中へのリンの拡散を一層促進し、リン濃度の均一性を更に向上させるために、ウェーハ温度が処理温度に到達した後も比較的長い時間ＰＨ3フローを継続している。このとき、ウェーハ面内のリン濃度均一性は約±１．５％であり、リン濃度は５．０×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ2であった。
【００５８】
この評価結果から、ウェーハ挿入後からＰＨ3フローまでの開始タイミングが、Ｔ2分より前、すなわちウェーハ温度が処理温度となる前に設定されていると、昇温中にシリコン膜をＰＨ3に晒すことができ、リンがシリコン膜にドープされることで、昇温によるシリコン膜のポリ化の律速を促し、シリコン膜が完全にポリ化する前にリンを拡散することができるので、ウェーハ面内のリン濃度分布が良好になることが分った。
【００５９】
以上述べたことから、反応室２２ａへの供給タイミングは、ウェーハ挿入後、ウェーハ面内温度偏差が生じる前、すなわち完全にポリシリコン化する前に混合ガスを流すように、制御部２７によって制御弁２６を制御するとよい。このように混合ガス流の開始タイミングを制御すると、昇温過程でウェーハ温度が面内で不均一になって偏差が生じても、リン濃度分布が昇温過程の熱履歴を含まない面内分布になる。したがって、均一な濃度分布に制御すること、及び下地の結晶性（アモルファスシリコンからポリシリコンへ変化する）が与える膜質を制御することが容易となる。
【００６０】
なお、上記実施の形態では下地がアモルファスシリコンの場合について述べたが、本発明はこれに限定されない。シリコン膜は、アモルファスとポリとの混晶状態にあってもよい。例えば下地がＨＳＧである場合にも本発明を適用できる。ＨＳＧは、アモルファスシリコン膜表面に形成される起伏の激しい半球状結晶粒である。このＨＳＧは、アモルファスからポリ（多結晶）に移行する過程の状態と考えられ、アモルファスとポリとの混晶状態である。したがって、下地がＨＳＧの場合であっても、完全にポリ化する前にリンの拡散を開始すれば、シリコン膜中へのリンの拡散が促進し、リン濃度の均一性が向上する。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコン膜の形成された基板にリンを拡散するに際し、基板が昇温過程のときに、基板をホスフィン、またはホスフィンを含む混合ガスに晒すことで、ポリシリコン膜へ変化する前のシリコン膜の形成された基板にリンを拡散できる。このためリン拡散が容易で、リン拡散濃度を基板面内で均一に制御でき、リンドープ・ポリシリコン膜のリン濃度の均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態によるリン拡散方法の実施形態を示す工程図である。
【図２】実施の形態による拡散装置の概略構成図である。
【図３】比較例と実施例とのリン拡散プロセスレシピの比較説明図である。
【図４】従来の拡散装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１０ 単結晶シリコンウェーハ（基板）
１１ ＳｉＯ2膜
１２ アモルファスシリコン膜
１５ ウェーハ（基板）
Claims (9)
- 表面にアモルファス状態もしくはアモルファスとポリとの混晶状態にあるシリコン膜が形成された一枚もしくは数枚の基板を反応室内に搬入する工程と、
前記基板を処理温度まで昇温させる昇温工程と、
前記シリコン膜中にリンを拡散させる拡散工程とを有し、
前記昇温工程の基板昇温途中から、ホスフィンまたはホスフィンを含む混合ガスを反応室内に供給して前記拡散工程を開始し、前記基板温度を処理温度に維持した状態でホスフィンまたはホスフィンを含む混合ガスの供給を停止して前記拡散工程を終了することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記昇温工程が、前記基板を、前記シリコン膜が結晶化する処理温度まで昇温させる昇温工程であり、
前記昇温工程の基板昇温途中であって、前記シリコン膜が結晶化する前から、反応室内にホスフィンまたはホスフィンを含む混合ガスを供給して前記拡散工程を開始することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記基板の温度が処理温度に到達後も、ホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを反応室内に供給し続けることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
- 表面にアモルファス状態もしくはアモルファスとポリとの混晶状態にあるシリコン膜が形成された一枚もしくは数枚の基板を反応室内に搬入する工程と、
前記基板を処理温度まで昇温させる昇温工程と、
前記シリコン膜中にリンを拡散させる拡散工程とを有し、
前記昇温工程の基板昇温途中から、ホスフィンまたはホスフィンを含む混合ガスを反応室内に供給して前記拡散工程を開始し、前記基板温度を処理温度に維持した状態でホスフィンまたはホスフィンを含む混合ガスの供給を停止して前記拡散工程を終了することを特徴とする基板処理方法。 - 一枚もしくは数枚の基板を処理する反応管と、
前記反応管内にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入するガス導入機構と、
前記反応管内に導入されたガスを排気するガス排気機構と、
表面にアモルファス状態もしくはアモルファスとポリとの混晶状態にあるシリコン膜が形成された基板を前記反応管内で処理温度まで昇温させる加熱手段とを有し、
前記基板を処理温度まで昇温させる過程において、前記反応管内へホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを導入して前記シリコン膜へのリンの拡散処理を開始し、基板温度を処理温度に維持した状態でホスフィンまたはホスフィンを含む混合ガスの導入を停止して前記シリコン膜へのリンの拡散処理を終了するようにした基板処理装置。 - 基板面内のリン濃度均一性が±３％未満となるよう、前記基板昇温工程の途中から前記シリコン膜中にリンを拡散させることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
- 表面にアモルファスシリコン膜が形成された基板を反応室内に搬入する工程と、
前記基板を処理温度まで昇温させる昇温工程と、
前記シリコン膜中にリンを拡散させる拡散工程とを有し、
前記リンを前もって拡散させるために、前記昇温工程の基板昇温途中から、前記基板上にホスフィン又はホスフィンを含む混合ガスを流して前記拡散工程を開始することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記昇温工程が、前記基板を、前記アモルファスシリコン膜が結晶化する処理温度まで昇温させる昇温工程であり、
前記昇温工程の基板昇温途中であって、前記アモルファスシリコン膜が結晶化する前から、前記基板上にホスフィンまたはホスフィンを含む混合ガスを供給して前記拡散工程を開始することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記基板搬入工程では、一枚もしくは数枚の基板を反応室内に搬入することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
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