JPH03142926A - 多結晶シリコン膜の形成方法およびその製造装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は半導体集積回路等の製造に好適な多結晶シリコ
ン膜の堆積方法、及びその製造装置に関するものである
。

従来の技術 半導体集積回路の高密度、高集積化が進んでおり、素子
の微細化が大きな技術課題である。特に、ゲート電極の
形成や、耐熱性のある配線材料として用いられる多結晶
シリコン膜の形成において、工程の簡略化や、加工精度
の向上、熱処理の低温化の必要性が大きくなってきた。

次に、従来から実施されているＭＯＳトランジスタを用
いた半導体集積回路を例にとり、ポリサイド電極（多結
晶シリコン膜、タングステンシリサイド膜を重畳した二
層膜からなる電極構造）の形成方法について説明する。

第３図（６）〜（ｂ）は、ＭＯＳ　）ランジスタのソー
ス・ドレイン領域からポリサイド電極を取り出す部分を
示した製造工程順の部分断面図である。第３図（６）に
示すように、まずＰ型シリコン基板１に、二酸化ケイ素
膜からなる素子分離領域２を形成し、次にゲート絶縁膜
３と多結晶シリコンゲート電極４を形成した後、Ｎ型の
ソース・ドレイン拡散領域６ａ、６ｂを形成し、この後
層間絶縁膜５を堆積し、電極の取り出し用のコンタクト
窓７を開孔する。次に、第３図（ｂ）に示すように、Ｎ
型ソース・ドレイン拡散領域６ａ、６ｂから多結晶シリ
コン膜１０とタングステンシリサイド膜８の二層膜から
なるポリサイド電極を取り出す。多結晶シリコン膜１０
の堆積においては、シランガスを反応ガスとする減圧気
相成長法により行い、多結晶シリコン膜１０を堆積後、
９００℃〜１０００℃でホスフィンによる熱拡散法によ
りリンドープする。リンガラス膜を除去した後、タング
ステンシリサイド膜８を堆積し、写真食刻法によりポリ
サイド電極のパターンを形成する。この後、表面保護膜
９を被覆して、半導体集積回路装置が完成する。第３図
に記載されていないが、半導体集積回路装置における多
層配線構造では、高温に耐えるポリサイド電極を下層の
配線に、上層の配線にアルミ合金などの金属配線を用い
る事が多い。

従来例で示した半導体集積回路では、ＮチャンネルＭＯ
Ｓトランジスタのソース・ドレイン拡散領域６ａと６ｂ
から、Ｎ型の多結晶シリコン膜１０、タングステンシリ
サイド膜８の二層膜で取り出す構造であるが、多結晶シ
リコン膜１０への熱拡散によるリン蒸着のため、９００
℃以上の処理温度が必要である。微細ゲート電極におい
て、ポリサイド電極を形成する場合、この９００℃以上
の熱処理により、ソース・ドレイン拡散領域が伸び、Ｍ
ＯＳ　）ランジスタのショートチャンネル化が発生し、
適用が困難になる。

また、従来例によるポリサイド電極の形成において、多
結晶シリコン膜１０をリンを含む多結晶シリコン膜を堆
積し、リン蒸着による熱処理工程を避ける方法゛がある
。しかし、この方法はリン等を含む多結晶シリコン膜の
堆積に装置上の問題が多くあり、量産工程への採用が困
難である。

発明が解決しようとする課題 本発明は、高密度半導体集積回路の多結晶シリコン膜又
は、ポリサイド電極の形成には、多結晶シリコン膜への
９００℃以上のリン蒸着が必要であり、リン蒸着による
９００℃以上の熱処理が、拡散領域の広がりを引き起こ
し、微細ゲート電極への多結晶シリコン膜又は、ポリサ
イド電極の適用を困難としている。

また、これを改善する為、不純物含有の多結晶シリコン
膜の形成が報告されているが、従来の減圧気相成長法で
は、ドープド多結晶シリコン膜の成長速度が非常に遅く
、リン濃度によって変化するが、リンを含まない多結晶
シリコン膜に比べ、約４分の１になる。さらに不純物の
濃度分布が・不均一であり、処理能力が低く、大量生産
においては、いろいろ課題が多い。

課題を解決するための手段 本発明の多結晶シリコン膜の形成方法は、不純物ガスを
含まずシランを反応ガスとする多結晶シリコン膜を形成
する気相成長工程と、不純物ガスとシランを混合した雰
囲気で不純物を含む多結晶シリコン膜を形成する気相成
長工程とを繰り返すことにより、不純物を含まない多結
晶シリコン膜と、リン、ヒ素、または、ボロンを含む多
結晶シリコン膜を順次積層する。そしてこれは、シラン
ガスと、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）
またはジボラン（Ｂ２　Ｈ６）のうちいずれか１種以上
の不純物ガスと、シランガスとの混合ガスを交互に反応
室内に流入させる機能を有する減圧気相成長装置により
解決する。

作用 本発明の多結晶シリコン膜の形成方法によれば、多結晶
シリコン膜の９００℃以上の高温によるリンなどの蒸着
が不要となり、微細ゲート電極における多結晶シリコン
膜、又はポリサイド電極の使用を可能とする。さらに、
従来の不純物を含まない多結晶シリコン膜の成長と同じ
く、処理能力を低下させず、容易に不純物を含む多結晶
シリコン膜を堆積させる事ができる。

実施例 本発明の多結晶シリコン膜の形成方法を用いた半導体集
積回路の製造方法を第１図の（６）から（ｄ）に示した
製造工程順の工程断面図を参照しながら説明する。第１
図（６）に示す如く、まずＰ型シリコン基板１の主面に
二酸化珪素からなる素子分離領域２、ゲート絶縁膜３．
多結晶シリコン電極４．ヒ素のイオン注入法により形成
されたＮ型のソース・ドレイン拡散領域６　ａ　、６　
ｂ　＊層間絶縁膜５を形威し、コンタクトホール７をソ
ース・ドレイン拡散領域６ａ、６ｂの上に開孔する。次
に、第１図（ｂ）に示す如く、不純物を含まない多結晶
シリコン膜１１１、リンを含む多結晶シリコン膜１１２
、不純物を含まない多結晶シリコン！１１１１３を連続
して堆積し、この上にタングステンシリサイド膜８を堆
積する。この３層の多結晶シリコン膜１１１゜１１２．
１１３は連続して同一成長装置で成長しても、また、分
離された装置で連続して堆積しても形成可能である。本
実施例では、それぞれ５００Ａの膜厚であり、１１２は
反応ガス組成でＰＨ３／ＳｉＨ４＋ＰＨ３が０．１％で
ある。堆積直後は、従来のドープド多結晶シリコン膜と
同じく、シート抵抗の測定は困難であるが、８００℃の
アニールにより約２００Ω／口となり、従来のリン蒸着
などと差は認められない。次に、第１図（Ｃ）に示す如
く、ポリサイド膜（１１１，１１２，１１３゜８からな
る多層膜）を周知の写真食刻法により、ポリサイド電極
パターンを形成する。この多層膜からなるポリサイド膜
は、８００℃のアニール処理を実施したのち、次に、第
１図（ｄ）に示す如く、装置の表面保護膜９を形成し、
半導体集積回路が完成する。

なお、多結晶シリコン膜１１２に、ヒ素または、ボロン
を含んだドープド多結晶シリコンを用いる場合も、同じ
様に適用できる。本実施例では、連続して多結晶シリコ
ン膜を堆積する間に、不純物が拡散し、活性化のアニー
ルのみで多結晶シリコン膜電極、又は、ポリサイド電極
に必要な不純物の導入が行われている。

次に、前記実施例に示した半導体集積回路の形成に用い
た多結晶シリコン膜の製造を可能とする減圧気相成長装
置を、第２図（６）に示した反応室の一部断面図を参照
して説明する。石英ガラスからなる反応チャンバー２１
が。ヒーター２２で加熱され、温度コントローラーによ
り温度制御されている。反応チャンバー２１は、シール
ドされ、排気ポンプに接続され、ガス排気口２５からガ
スが排気され、数ｍｍＴｏｒｒまで減圧される。この反
応チャンバー２１内には、石英ガラスからなるウェハー
搭載用のボート２３が中心部に設置され、これが回転テ
ーブル２６上に乗せられ、ウェハー２４が水平に保持さ
れる。

シランガスが反応ガス供給口２７１から、シランとホス
フィンとの混合ガスが反応ガス供給口２７２から供給さ
れる構造を有している。

この装置を用いて、リンを含む多結晶シリコン膜の堆積
例を示す。反応チャンバー２１は、約６１０℃に制御さ
れる。まず、ウェハー搭載用のボート２３にシリコンウ
ェハー２４を搭載し、これを回転テーブル２６の上に乗
せ、反応チャンバー２１の下部より投入し、図のように
配置する。

チャンバー２１内は窒素ガスによりパージし、空気を除
去し、続いて、ガス排気口２５より排気し、チャンバー
２１内を数ｍｍＴｏｒｒ以下にする。続いて、反応ガネ
シランを反応ガス供給口２７１から、例えば、４５０ｓ
ｅｃｍ導入すると、反応チャンバー２１の内圧が約３０
０ｍｍＴｏ　ｒ　ｒとなり、多結晶シリコン膜が５００
Ａ威長する（成長速度１１０Ａ／分〉。次に、反応ガス
供給口２７１からのガスの供給を止め、第２の反応ガス
供給口２７２から、ホスフィンとシランの混合ガスを供
給する。このホスフィン／シランの割合は、多結晶シリ
コン膜中のリン濃度によって、所定の割合に設定する。

例えば、シラン４５０ｓｅｃｍ。

ホスフィン０．４ｓｅｃｍ（全て、１００％濃度に換算
したガス流量である〉で、流量比０．１％とし、キャリ
アーガスでガス圧をＩＩＩ　Ｉする。本条件での成長速
度は、３０Ａ／分であり、リンを含まない多結晶シリコ
ン膜の約４分の１である。次に、再び反応ガス供給口２
７１に切り換え、シランガスを供給する。このガス供給
シーケンス例を第２図（ｂ）に示す。反応ガス供給口２
７１と２７２の開閉を交互に行い、反応ガス供給口２７
２を開いている時間を反応ガス供給口２７１が開いてい
る時間より短かくする。このように、多層膜厚構造とし
、３０００Ａの膜厚のリンドープド多結晶シリコン膜を
成長させるのに、各層を５００Ａとし、６ステツプで成
長させる事により、従来方式では１００分の成長時間を
要するのに、約６０分まで短縮できた。膜の構成、例え
ば、各ステップでの膜厚比を最適化することにより、更
に短縮化は可能である。多結晶シリコン膜中の不純物の
分布は、低温でのアニール処理により、従来の１層から
なるドープド多結晶シリコン膜と同等である。さらに、
ウェハーの搭載する間隔を狭くする事も可能になり、チ
ャージ枚数の増加も同時に対応できた。以上のように、
ドープド多結晶シリコン膜の成長での課題であった不純
物分布の均一１１の低下、処理枚数の低下など実用化の
問題を解決する事が可能となった。

なお、アルシンによるとヒ素ドープド多結晶シリコン膜
の成長、ジボランによるポロンドープド多結晶シリコン
膜でも、同様な堆積方法が可能である。

発明の効果 本発明の多結晶シリコン膜の形成方法およびその製造装
置によれば、高密度半導体集積回路の微細な多結晶シリ
コン電極や、ポリサイド電極の形成の適用を可能とし、
熱処理温度の低下、処理能力の向上を可能にし、量産効
果を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の多結晶シリコン膜の形成方法を適用し
た半導体集積回路の一実施例を示す製造工程順の断面図
、第２図は本発明の多結晶シリコン膜の製造装置の実施
例を示す減圧気相成長装置の反応室の一部断面図、およ
び反応ガスフロー概念図、第３図は従来の半導体集積回
路の製造工程順の断面図である。 ｌ・・・・・・Ｐ型シリコン基板、３・・・・・・ゲー
ト絶縁膜、４・・・・・・多結晶シリコンゲート電極、
６ａ、６ｂ・・・・・・ソース・ドレイン拡散領域、５
・・・・・・層間絶縁膜、７・・・・・・コンタクトホ
ール、１１１，１１３・・・・・・多結晶シリコン膜、
１１２・・・・・・ドープド多結晶シリコン膜、８・・
・・・・タングステンシリサイド膜、９・・・・・・表
面保護膜、２１・・・・・・石英チャンバー、２３・・
・・・・ウェハー搭載用石英ポート、２４・・・・・・
ウェハ、２７１゜ ２７２・・・・・・反応ガス供給口。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）不純物ガスを含まずにシランを反応ガスとして多
   結晶シリコン膜を形成する気相成長工程と、不純物ガス
   とシランを混合した雰囲気で不純物を含む多結晶シリコ
   ン膜を形成する気相成長工程とを繰り返すことにより、
   多結晶シリコン膜を堆積する事を特徴とする多結晶シリ
   コン膜の形成方法。
2. （２）不純物ガスが、ホスフィン（ＰＨ＿３）、アルシ
   ン（ＡｓＨ＿３）またはジボラン（Ｂ＿２Ｈ＿６）のう
   ちいずれか１種以上の不純物ガスを含む事を特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の多結晶シリコン膜の形成
   方法。
3. （３）ホスフィン（ＰＨ＿３）、アルシン（ＡｓＨ＿３
   ）またはジボラン（Ｂ＿２Ｈ＿６）のうちいずれか１種
   以上の不純物ガスとシランガスを混合した反応ガスとシ
   ランガスを交互に反応室内に流入させ、複数層の多結晶
   シリコン膜を連続して同一反応室内で堆積する事を特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の多結晶シリコン膜
   の形成方法。
4. （４）反応室と、同反応室内に配置されたウェハー搭載
   用石英ボートと、シランガスを前記反応室に供給する第
   １の反応ガス供給口と、ホスフィン（ＰＨ＿３）、アル
   シン（ＡｓＨ＿３）またはジボラン（Ｂ＿２Ｈ＿６）の
   うちいずれか１種以上の不純物ガスをシランガスに混合
   した反応ガスを前記反応室に供給する第２の反応ガス供
   給口とを備えるとともに、前記シランガスと前記混合し
   た反応ガスを交互に前記反応室内に流入させる事を特徴
   とする多結晶シリコン膜の製造装置。