JP4398817B2

JP4398817B2 - ＳｉＧｅ薄膜の成長方法

Info

Publication number: JP4398817B2
Application number: JP2004239723A
Authority: JP
Inventors: 敬志横山; 孝洋白幡
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: JP2006059988A

Description

本発明は、トランジスタ等の半導体素子の製造におけるＳｉＧｅ薄膜の成長方法に関するものである。

最近の電子機器の進歩に伴って、基板におけるトランジスタ等の半導体素子の高集積化が進んできており、その高集積化を実現するために、素子の微細化が要求されている。しかしながら、素子が微細化すると、トランジスタにおいては、ゲート長が短くなり、短チャネル効果（ゲート長が短くなると、ゲート電圧が０Ｖであっても、ソースとドレインとの間に電流が流れ易くなる現象）が現れる。そこで、その短チャネル効果を抑制するために、ソースおよびドレインの拡散領域の深みを浅くすることが行われている。

しかしながら、両拡散領域の深みを浅くすると、抵抗が増大し、動作速度が低下する。しかも、両拡散領域の深みが浅いと、ソースおよびドレインの電極形成時のアニールによって、電極がソースおよびドレインの拡散領域を突き抜けてしまう。

そこで、それらを防止するために、ソースおよびドレインの拡散領域上にＳｉ，ＳｉＧｅ，Ｇｅ等の薄膜をＣＶＤ法によって選択成長させ（例えば、厚み５０ｎｍ程度）、ソースおよびドレインを厚くする技術〔エレベイテッド（Elevated）・ソース／ドレイン技術〕が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−６８６７１号公報

しかしながら、上記エレベイテッド・ソース／ドレイン技術における薄膜の成長温度は、７５０〜９５０℃である（特許文献１の段落〔００１５〕の第１２〜１３行目参照）。しかも、選択成長を可能にするためには、上記薄膜の成長に先立って、自然酸化膜を除去し、その自然酸化膜が成長しないよう熱処理する必要があるが、その熱処理が約８００〜９００℃の温度で１〜５分間の処理となる（特許文献１の段落〔００１４〕の第９〜１０行目参照）。このため、融点が上記温度よりも低い基板（例えば、ガラス基板等）は使用できない。

また、半導体素子の製造過程においてプロセス温度が高いと、ソースおよびドレインの拡散領域の特徴が変化し、設計したとおりの性能が出ないという問題が起こる。このため、半導体素子の高速動作かつ高集積には、その製造過程において低温プロセスが必須である。上記７５０〜９５０℃での薄膜の成長および約８００〜９００℃での熱処理は、次世代の高速動作かつ高集積な半導体素子を製造するプロセスとしては温度が高い。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、ＳｉＧｅ薄膜の成長を低温化することができるＳｉＧｅ薄膜の成長方法の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明のＳｉＧｅ薄膜の成長方法は、基板上に形成されたＳｉ多結晶膜の表面にＳｉＧｅ薄膜を成長させる方法であって、圧力１×１０^-3〜１×１０^-1Ｐａ（絶対圧）下において、上記基板の温度を５００〜６００℃の範囲内にした状態で、Ｓｉ₂Ｈ₆とＧｅＦ₄とを流量比Ｓｉ₂Ｈ₆：ＧｅＦ₄＝４０：１〜８０：１の範囲で上記Ｓｉ多結晶膜の表面に供給することにより、上記ＧｅＦ₄のＦのエッチング作用で、上記Ｓｉ多結晶膜表面の自然酸化膜を除去し、その除去跡の上記Ｓｉ多結晶膜の表面にＳｉＧｅ薄膜を成長させるという構成をとる。

本発明者らは、半導体素子の製造過程を低温プロセスにすべく、薄膜の成長方法について鋭意研究を重ねた。その研究の過程で、成長させる薄膜をＳｉＧｅ薄膜に限定すると、Ｓｉ薄膜を成長させるよりも薄膜成長温度を約１００℃低下させることができるという知見を得た。さらに、そのＳｉＧｅ薄膜の成長には、通常、Ｓｉ₂Ｈ₆とＧｅＨ₄とが用いられるが、そのＧｅＨ₄に代えてＧｅＦ₄を用いると、ＧｅＦ₄のＦの酸化還元反応の促進により、薄膜成長温度をさらに低下させることができることを突き止めた。特に、各ガスの流量比をＳｉ₂Ｈ₆：ＧｅＦ₄＝４０：１〜８０：１の範囲内にすると、薄膜成長温度を一層低下させることができることを突き止めた。そして、さらに研究を重ねた結果、薄膜を成長させる雰囲気の圧力を１×１０^-3〜１×１０^-1Ｐａ（絶対圧）の範囲内にすると、基板の温度を５００〜６００℃の範囲内に低下させても薄膜を成長させることができることを見出し、本発明に到達した。

本発明のＳｉＧｅ薄膜の成長方法は、特定の圧力〔１×１０^-3〜１×１０^-1Ｐａ（絶対圧）〕下で、Ｓｉ₂Ｈ₆とＧｅＦ₄とを特定の流量比（Ｓｉ₂Ｈ₆：ＧｅＦ₄＝４０：１〜８０：１）に設定して行われるため、基板の温度を５００〜６００℃の範囲内に低下させても、ＳｉＧｅ薄膜を成長させることができる。

このように、基板の温度を５００〜６００℃の範囲内に低下させることができるため、上記基板がガラス基板である場合でも、ＳｉＧｅ薄膜を成長させることができる。

つぎに、本発明の実施の形態を詳しく説明する。

本発明のＳｉＧｅ薄膜の成長方法は、基板上に形成されたＳｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）の表面に、従来よりも低い温度でＳｉＧｅ薄膜を成長させる方法である。それを実現するために、ＳｉＧｅ薄膜を成長させる際には、雰囲気の圧力を１×１０^-3〜１×１０^-1Ｐａ（絶対圧）の範囲内にし、その成長に用いるガスとしてＳｉ₂Ｈ₆とＧｅＦ₄とを用い、しかも、その流量比をＳｉ₂Ｈ₆：ＧｅＦ₄＝４０：１〜８０：１の範囲内に設定する。このような条件下にすると、基板の温度を５００〜６００℃の範囲内に低下させても、ＳｉＧｅ薄膜を成長させることができるようになる。

このため、上記基板として、融点が６００℃を少し越えるガラス基板等も使用できるようになり、基板の材料の選択範囲が広がる。

また、上記低温での成長方法により、半導体素子の製造過程では、ソースおよびドレインの拡散領域の特徴が高温によって変化するのを抑制することができる。このため、設計したとおりの性能を出すことができるようになり、半導体素子の動作速度をより高めることができるようになる。そして、前記エレベイテッド・ソース／ドレイン技術を用いることにより、半導体素子の高速動作かつ高集積をより高度に実現することができるようになる。

このようなＳｉＧｅ薄膜の成長は、例えば、図１に示すような薄膜製造装置を用いて行うことができる。この装置は、ステンレス製で、略箱状体をしており、内部がその略中央で上部室１０と下部室２０の２室に分離されている。これら上部室１０および下部室２０は、それぞれターボ分子ポンプ（図示せず）に接続されており、減圧室となりうる。また、上部室１０と下部室２０の周壁外面の一部には、冷水ジャケット４０が付設されており、上部室１０および下部室２０の過剰昇温を防止している。

上部室１０と下部室２０との境には、基板保持手段３０が備えられている。この基板保持手段３０は、中心部が開口した枠状をしており、半導体製造装置の内周部に水平となるように周設されている。この基板保持手段３０の開口周縁部は、基板１の載置部３１となっており、石英製の枠状板体である。この載置部３１の周縁部は、この載置部３１の保持部３２となっており、ステンレス製の枠状板体であり、その外周縁が半導体製造装置の内周部に周設されている。なお、基板１の載置部３１への載置は、後述するように、Ｓｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）が形成されている側を下部室２０に向けて行われる。そして、この基板１の載置部３１への載置により、基板保持手段３０の中心部の開口が蓋され、上部室１０と下部室２０とが仕切られる。

上部室１０は、加熱室であり、カーボングラファイト製の加熱ヒータ１１およびこの加熱ヒータ１１の輻射熱を反射して遮蔽するためのリフレクタ（熱遮蔽体）１２が備えられている。このリフレクタ１２は、上記加熱ヒータ１１の上部および前後左右の全周囲ならびに上部室１０の周壁内面に配置されている。また、上記加熱ヒータ１１の下方には、加熱ヒータ１１の熱を均等に放射するために、ＰＢＮ（熱分解性窒化ホウ素）製の均熱板１３が配置されている。

下部室２０は、ＳｉＧｅ薄膜の成長室であり、その成長に用いるＳｉ₂Ｈ₆とＧｅＦ₄とを室内に供給するマニホールド２１が備えられている。このマニホールド２１の、上記基板１と対向する面には、上記Ｓｉ₂Ｈ₆とＧｅＦ₄とをそれぞれ吐出するガス吐出口２２，２３が複数形成されており、それらＳｉ₂Ｈ₆とＧｅＦ₄とが、基板１上に形成されたＳｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）の表面に供給されるようになっている。また、上記Ｓｉ₂Ｈ₆とＧｅＦ₄とはそれぞれ、半導体製造装置の外部から供給管２４，２５を通して、マニホールド２１の内部空間に供給されるようになっている。

このような薄膜製造装置を用いて、つぎのようにしてＳｉＧｅ薄膜を成長させることができる。

まず、基板１上にＳｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）を形成する。この方法は、プラズマＣＶＤ法により基板１上に一旦アモルファスシリコン膜を形成した後、レーザ照射により結晶化させてＳｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）を形成する。この方法では、プラズマＣＶＤ法によるアモルファスシリコン膜の形成が高温にならず（３５０〜５００℃程度）、その後のレーザ照射も下地の基板１は高温にならない（５００〜６００℃程度）ため、基板１としてガラス基板を使用することができる。なお、熱ＣＶＤ法によりＳｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）を基板１上に直接形成してもよいが、この場合は、基板１の温度を９００〜１０００℃程度の高温にする必要があるため、ガラス基板を使用することができない。

ついで、上記Ｓｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）が形成された基板１を上記薄膜製造装置の基板保持手段３０の載置部３１に載置する。このとき、Ｓｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）が形成されている側を下部室２０に向けて載置する。

そして、ターボ分子ポンプを作動させることにより、上部室１０および下部室２０を減圧する（図１の矢印Ａ，Ｂ参照）。このときの上部室１０および下部室２０の内部雰囲気の圧力は、１×１０^-3〜１×１０^-1Ｐａ（絶対圧）の範囲内にする。上記圧力が１×１０^-3Ｐａ（絶対圧）を下回ると、ＳｉＧｅ薄膜を成長速度がかなり遅くなって生産上実用的でなくなり、１×１０^-1Ｐａ（絶対圧）を上回ると、ＳｉＧｅ薄膜の成長のためには基板１の温度を高くしなければならず、所期の目的（ＳｉＧｅ薄膜成長の低温化）に反するからである。

つぎに、加熱ヒータ１１を加熱させることにより、基板１を５００〜６００℃の範囲内に加熱する。基板１の温度が５００℃を下回ると、ＳｉＧｅ薄膜を成長速度がかなり遅くなって（例えば、４５０℃での成長速度は５５０℃での成長速度の１／１０以下）生産上実用的でなくなり、しかも、結晶性が芳しくないからである。また、基板１の温度が６００℃を上回ると、ＳｉＧｅ薄膜の成長に用いるＧｅＦ₄のＦのエッチング作用が大きくなり過ぎて、ＳｉＧｅ薄膜が成長し難くなるからである。なお、上記基板１の温度は、熱電対により測定することで確認することができる。

そして、マニホールド２１の各ガス吐出口２２，２３からＳｉ₂Ｈ₆およびＧｅＦ₄をそれぞれ吐出させ、上記Ｓｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）の表面に供給する。このとき、Ｓｉ₂Ｈ₆とＧｅＦ₄の流量比は、Ｓｉ₂Ｈ₆：ＧｅＦ₄＝４０：１〜８０：１の範囲内に設定する。この流量比が４０：１を下回る（例えば３９：１）と、両ガスにおけるＧｅＦ₄の割合が大きくなるため、Ｆのエッチング作用が大きくなってＳｉＧｅ薄膜の成長速度が遅くなり、しかも、成長したＳｉＧｅ薄膜におけるＧｅの組成比が３％を上回り、ＳｉＧｅ薄膜のモホロジーが悪化するからである。また、上記流量比が８０：１を上回る（例えば８１：１）と、Ｆの相対濃度が低くなるため、Ｆのエッチング作用が低下するとともに、Ｆの酸化還元反応も弱くなるからである。なお、上記流量比の設定は、マニホールド２１への供給管２４，２５に設けられた可変バルブ（図示せず）を調節することにより行われる。

このようにすることにより、上記Ｓｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）の表面にＳｉＧｅ薄膜を成長させることができる。このとき、上記Ｓｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）の表面には、自然酸化膜が形成されているが、上記ＧｅＦ₄のＦのエッチング作用が適度に発揮され、上記自然酸化膜が除去される。そして、その除去跡の上記Ｓｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）の表面にＳｉＧｅ薄膜がエピタキシャル成長する。このため、従来、自然酸化膜を除去するために行っていた高温での処理が不要となる。

なお、後述する実施例に示すように、上記Ｓｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）の表面にＳｉＯ₂等でパターンを形成したものを用いると、そのＳｉＯ₂等の表面にはＳｉＧｅ薄膜を成長させず、それ以外のＳｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）の表面に選択的にＳｉＧｅ薄膜をエピタキシャル成長させることができる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

まず、プラズマＣＶＤ法により、図２に示すように、ガラス基板１〔５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ（厚み）〕の表面にＳｉＯ₂膜２を形成した後、そのＳｉＯ₂膜２の表面に、厚み１００ｎｍのアモルファスシリコン膜を形成した。この形成は、圧力１００Ｐａ（絶対圧）の下で，基板温度４００℃，モノシランを原料ガスとして行った。

ついで、上記アモルファスシリコン膜全体に、レーザ光を照射することにより、アモルファスシリコン膜を結晶化させてＳｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）３を形成した。

そして、上記Ｓｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）３の表面に、ＳｉＯ₂でパターン４を形成した。

〔実施例１〕
上記Ｓｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）３およびＳｉＯ₂のパターン４が形成されたガラス基板１を、図１に示す薄膜製造装置の載置部３１に設置し、上記実施の形態と同様にして、上記Ｓｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）３の表面にＳｉＧｅ薄膜５（図３参照）を成長させた。すなわち、この実施例１では、上部室１０および下部室２０の内部雰囲気の圧力を１×１０^-3Ｐａ（絶対圧）、基板１の温度を５００℃、Ｓｉ₂Ｈ₆の流量を２０ｃｍ³／ｍｉｎ（０℃、大気圧）、ＧｅＦ₄の流量を０．５ｃｍ³／ｍｉｎ（０℃、大気圧）とした（流量比Ｓｉ₂Ｈ₆：ＧｅＦ₄＝４０：１）。そして、成長時間１８分間で、図３に示すように、パターン４以外のＳｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）３の表面のみに、ＳｉＧｅ薄膜５を厚み約５０ｎｍ成長させることができた。この成長させた薄膜がＳｉＧｅ薄膜５であることは、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（堀場製作所社製、ＥＭＡＸ−７０００）により確認した。また、ＳｉＧｅ薄膜５の厚みは、走査型電子顕微鏡（日立製作所社製、Ｓ−４７００）により確認した。

〔実施例２〕
上記実施例１において、上部室１０および下部室２０の内部雰囲気の圧力を１×１０^-2Ｐａ（絶対圧）、基板１の温度を５５０℃、Ｓｉ₂Ｈ₆の流量を３０ｃｍ³／ｍｉｎ（０℃、大気圧）、ＧｅＦ₄の流量を０．５ｃｍ³／ｍｉｎ（０℃、大気圧）とした（流量比Ｓｉ₂Ｈ₆：ＧｅＦ₄＝６０：１）。そして、成長時間１５分間で、パターン４以外のＳｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）３の表面のみに、ＳｉＧｅ薄膜５を厚み約５０ｎｍ成長させることができた。それ以外は、上記実施例１と同様にした。

〔実施例３〕
上記実施例１において、上部室１０および下部室２０の内部雰囲気の圧力を１×１０^-1Ｐａ（絶対圧）、基板１の温度を６００℃、Ｓｉ₂Ｈ₆の流量を４０ｃｍ³／ｍｉｎ（０℃、大気圧）、ＧｅＦ₄の流量を０．５ｃｍ³／ｍｉｎ（０℃、大気圧）とした（流量比Ｓｉ₂Ｈ₆：ＧｅＦ₄＝８０：１）。そして、成長時間１０分間で、パターン４以外のＳｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）３の表面のみに、ＳｉＧｅ薄膜５を厚み約５０ｎｍ成長させることができた。それ以外は、上記実施例１と同様にした。

〔比較例１〕
上記実施例１において、上部室１０および下部室２０の内部雰囲気の圧力を５×１０^-4Ｐａ（絶対圧）、基板１の温度を４５０℃、Ｓｉ₂Ｈ₆の流量を５ｃｍ³／ｍｉｎ（０℃、大気圧）、ＧｅＦ₄の流量を０．５ｃｍ³／ｍｉｎ（０℃、大気圧）とした（流量比Ｓｉ₂Ｈ₆：ＧｅＦ₄＝１０：１）。しかしながら、この条件では、成長時間２０分間で、ＳｉＧｅ薄膜５は、表面が白濁し、モホロジーが悪く、結晶性もよくなかった。それ以外は、上記実施例１と同様にした。

〔比較例２〕
上記実施例１において、上部室１０および下部室２０の内部雰囲気の圧力を５×１０^-1Ｐａ（絶対圧）、基板１の温度を６５０℃、Ｓｉ₂Ｈ₆の流量を５０ｃｍ³／ｍｉｎ（０℃、大気圧）、ＧｅＦ₄の流量を０．５ｃｍ³／ｍｉｎ（０℃、大気圧）とした（流量比Ｓｉ₂Ｈ₆：ＧｅＦ₄＝１００：１）。しかしながら、この条件では、ガラス基板１が軟化して曲がった。また、成長時間を１０分間としたが、ＳｉＯ₂のパターン４の表面にＳｉＧｅ薄膜５が成長し、選択成長させることができなかった。それ以外は、上記実施例１と同様にした。

上記実施例１〜３および比較例１，２の結果より、圧力を１×１０^-3〜１×１０^-1Ｐａ（絶対圧）の範囲内、Ｓｉ₂Ｈ₆とＧｅＦ₄の流量比をＳｉ₂Ｈ₆：ＧｅＦ₄＝４０：１〜８０：１の範囲内、基板温度を５００〜６００℃の範囲内にすると、実用的な速度でＳｉＧｅ薄膜５を成長させることができることがわかる。

ＳｉＧｅ薄膜の成長が、基板温度５００〜６００℃の範囲内でできるため、ＳｉＧｅ薄膜を用いるトランジスタ等の半導体素子を、融点が６００℃を少し越える低融点のガラス基板等に形成することができる。このため、例えば、液晶ディスプレイ用のガラス基板として、上記低融点のガラス基板を使用することができる。

本発明のＳｉＧｅ薄膜の成長方法に用いる薄膜製造装置を示す説明図である。上記ＳｉＧｅ薄膜の成長方法に用いる基板を模式的に示す説明図である。上記ＳｉＧｅ薄膜が成長した基板を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１基板
３Ｓｉ多結晶膜（ポリシリコン膜）
５ＳｉＧｅ薄膜

Claims

基板上に形成されたＳｉ多結晶膜の表面にＳｉＧｅ薄膜を成長させる方法であって、圧力１×１０^-3〜１×１０^-1Ｐａ（絶対圧）下において、上記基板の温度を５００〜６００℃の範囲内にした状態で、Ｓｉ₂Ｈ₆とＧｅＦ₄とを流量比Ｓｉ₂Ｈ₆：ＧｅＦ₄＝４０：１〜８０：１の範囲で上記Ｓｉ多結晶膜の表面に供給することにより、上記ＧｅＦ₄のＦのエッチング作用で、上記Ｓｉ多結晶膜表面の自然酸化膜を除去し、その除去跡の上記Ｓｉ多結晶膜の表面にＳｉＧｅ薄膜を成長させることを特徴とするＳｉＧｅ薄膜の成長方法。
上記基板がガラス基板である請求項１記載のＳｉＧｅ薄膜の成長方法。