JPH02281614A - 多結晶シリコン薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 利用産業分野 この発明は、シリコンデバイス作成工程においてゲート
電極材料として使用される多結晶シリコン薄膜の堆積方
法に係り、減圧気相成長装置にて、純シランガスを用い
て従来より高温、低圧力条件で堆積させることにより、
低応力の多結晶シリコン薄膜を得る製造方法に関する。

従来の技術 シリコンゲート技術における多結晶シリコン薄膜は、減
圧気相成長法により堆積するのが一般的である。

例えば−第６図に示す如き減圧気相成長装置を用いるも
ので、抵抗加熱ヒーター（１０）が外装された水平配置
の密閉石英チューブ（１１）内に、石英ボード（１２）
に配列支持された多数のシリコン基板（１３）が装入さ
れ、減圧、加熱雰囲気内に原料ガス配管より所要のガス
が導入されることにより、シリコン基板（１３）に多結
晶シリコン薄膜が熱分解堆積する構成からなる。

現状では、Ｈｅ　、Ａｒ　、Ｎ２＋等の不活性ガスで１
＝１〜１０：工程度に希釈したモノシラン（ＳｉＨ４）
を、温度範囲６００〜６３０℃程度、全圧力０．４〜０
．６ｔｏｒｒ程度の条件で熱分解堆積する方法が取られ
ている。

上記条件によれば、得られる多結晶シリコンの表面形態
は多結晶粒子径小のため平滑鏡面になりやすいことが知
られている。

これらの条件による理由は、デバイス作成工程における
フォトリソグラフィー工程で、多結晶ジノコン面をでき
るだけ平滑にして工程歩留りを上げるためである。

従来技術の問題点 一方、シリコンウェハーの大径化にともない、ステッパ
ー等の部分露光法の導入により、第１図に示す如き多結
晶薄膜（２）を有するシリコンウェハー（１）全体の反
りが、転写精度へ悪影響を及ぼすことが問題となりはじ
めた。

すなわち、上記条件による多結晶シリコン薄膜は、例え
ば、厚さ約１ｐｍでは膜堆積後、片面ミラー研摩状態で
（ａｓ−ｄｅｐｏ）〜１０９ｄｙｎ／ｃｍ２程度の比較
的大きな内部応力（圧縮応力）をもっており、第２図の
ウェハー直径と反りとの関係のグラフに示す如く、５イ
ンチΦシリコンウェハーに換算して３５ｐｍ程度の反り
を発生させる。

この反りはデバイス製造上の微細加工精度を悪くしたり
、結晶欠陥発生の原因の一つとなっており、デバイスの
最終歩留りを低下させることになる。

発明の目的 この発明は、かかる現状に鑑み、減圧気相成長装置にて
製造される多結晶シリコン膜の内部応力を、微細加工時
、問題にならないと考えられる５　Ｘ　１０８ｄｙｎ／
ｃｍ２以下（多結晶シリコンの厚さ約１．０ｐｍ付着時
の５Φウ工ハー反りに換算して１５ｐｍ以下）に低減し
た低応力多結晶シリコン薄膜を提供できる製造方法を目
的としている。

発明の概要 この発明は、 ■ガス導入部、ウェハー加熱部、反応管、排気装置等か
らなる減圧気相成長装置を用いて熱分解反応により堆積
させる多結晶シリコン薄膜の製造方法において、 ■原料ガスとして純シランガスを用い ■堆積条件として 温度６８０℃〜７１０℃ 全圧力０．０５〜０．１７ｔｏｒｒ ■例えば、Ｓｉウェハー５インチΦｐ（１００）　　酸
素濃度中程度に、内部応力が５　ｘ　１０８　ｄｙｎ／
ｃｍ２以下の薄膜を得ることを特徴とする多結晶シリコ
ン薄膜の製造方法である。

図面に基づ〈発明の開示 第３図は反応温度と内部応力との関係を示すグラフであ
る。第４図は全圧力と内部応力との関係を示すグラフで
ある。第５図はＸ線強度比と内部応力との関係を示すグ
ラフである。

この発明は、減圧気相成膜装置において、原料ガスに純
シランガスを用い、 ）Ｈ度り８０℃〜７１０℃ 全圧力０．０５〜０．１７ｔｏｒｒの堆積条件で成膜す
ることを特徴とする。その限定理由を以下に詳述する。

ここでは、前述した第６図の減圧気相成長装置を用い、
５インチシリコンウェハーにｌｐｍ厚みの多結晶シリコ
ン薄膜を成膜するのに、原料ガスとして純シランガスを
、０．１ｔｏｒｒに対しては、９０ｃｃ／ｍｉｎに、０
．１７ｔｏｒｒに対しては１９０ｃｃ／ｍｉｎに、０．
２５ｔｏｒｒに対しては、２７０ｃｃ　／　ｍｉｎの供
給条件で導入し、反応温度あるいは圧力を種々変化させ
た場合の該薄膜の内部応力を、レーザー光の反射を利用
したウェーハの反り測定器によって、ウェーハの反りを
測定し、次式の計算により求めたものである。

σ内部：膜の内部応力 ｔｆ：膜の厚さ ｈ：（シリコン）基板の反り Ｅｓ：（シリコン）基板のヤング率 Ｄｓ：（シリコン）基板の直径 ＶＳ：（シリコン）基板のポアソン比 ｔｓ：（シリコン）基板の厚さ 第３図は堆積時全圧力を一定にした時の多結晶シリコン
膜応力の反応温度依存性を示している。

すなわち、反応温度が高いほど膜応力は小さく、６８０
℃以上では５　ｘ　１０８ｄｙｎ／ｃｍ２弱の値を示し
ている。この応力は５インチφシリコンウニハーニ１０
〜ｌｌｐｍの反りを誘起する程度であり、デバイス作成
工程におけるフォトリソグラフィー時に問題が生じない
。

しかし、反応温度が７１０℃を越える場合は、反応状態
が拡散律速条件となり、このままの装置では安定した条
件が得られにくくなり好ましくない。

従って、反応温度は、６８０℃〜７１０℃とする。さら
に好ましくは、６８０℃〜６９０℃である。

第４図には、反応温度を一定にした時の多結晶シリコン
膜応力の堆積全圧力依存性を調べたものである。

全圧力が低いほど小さい膜応力を示している。

特に、６８０℃、０．０５〜０．１７ｔｏｒｒでは２〜
５　ｘ　１０８ｄｙｎ／ｃｍ２の値となり、この応力は
５インチΦシリコンウェハーに４．６〜１１．５−の反
りを誘起させる。

すなわち、全圧力が０．１７ｔｏｒｒを越えると、膜応
力が５　ｘ　１０８ｄｙｎ／ｃｍ２を越える値となり、
また、０．０５ｔｏｒｒ以下になると、ポリシリコンの
成長速度が小さくなり、実用的な範囲でなくなるので好
ましくない。さらに全圧力の好ましい範囲は、０．１〜
０．１７ｔｏｒｒである。

第５図は、多結晶シリコン粒子の成長方位の堆積温度依
存性をＸ線回折により調べたものである。

第５図に明らかな如く、Ｘ線の反射に関して、基板上の
多結晶シリコンの（１１１）面からの反射強度に対する
（２２０）面からの反射強度の比が大きいとき、多結晶
シリコンの内部応力は大きく、逆に小さいとき膜の内部
応力は小さいことがわかった。結果として＜　２２０　
＞方向への成長が少ないと内部応力は小さくなることが
わかった。

従って、この発明による反応条件を選定したことにより
、多結晶シリコンの＜２２０＞方向への成長が少なく、
内部応力が小さくなる。

この発明において、原料ガスに純シランガスを用い、反
応条件の選定、成膜厚み等に応じてその供給量を選定す
るが、製造上の実用性の観点から、全ガス圧力と成長レ
ートを比較選定して、膜応力が５ｘｌＯ８ｄｙｎ／ｃｍ
２以下となる条件が好ましい。

さらに反応時間は、目的の厚みになるように成長レート
より設定する。

発明の効果 上述したこの発明による条件にて、多結晶シリコン膜の
堆積成膜を行うと、低内部応力の膜が得られ、結果とし
てシリコンウェハーの反り発生が大幅に減少するので従
来条件による場合に比べて歩留り向上が期待できる。

実施例 実施例１ ４インチのシリコンウェハーに１μｍ厚みの多結晶シリ
コン薄膜を成膜するのに、第６図の減圧気相成長装置を
用いて第１表の条件で実施した。

該薄膜を被着した基板の反りを測定したところ第１表の
結果を得た。

第１表

【図面の簡単な説明】

第１図は多結晶薄膜を被着したシリコンウェハーの説明
図である。 第２図は従来のシリコン基板直径と内部応力との関係を
示すグラフである。 第３図は反応温度と内部応力との関係を示すグラフであ
る。 第４図は全圧力と内部応力との関係を示すグラフである
。 第５図はＸ線強度比と内部応力との関係を示すグラフで
ある。 第６図は減圧気相成長装置の概略を示す縦断説明図であ
る。 １・・・シリコンウェハー、 ２・・・多結晶薄膜、 １０・・・抵抗加熱ヒーター、 １１・・・石英チューブ、 １２・・・石英ボード、 １３・・・シリコンウェハー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 減圧気相成長装置を用いて熱分解反応により堆積させる
   多結晶シリコン薄膜の製造方法において、原料ガスに純
   シランガスを用い、 温度６８０℃〜７１０℃ 全圧力０．０５〜０．１７ｔｏｒｒの堆積条件で成膜し
   、内部応力が５×１０＾８ｄｙｎ／ｃｍ＾２以下の薄膜
   を得ることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法
   。