JPH0391239A - 半導体装置の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は薄膜形成方法に係り、段差急峻部の配線の低抵
抗化、基板への不綽物拡散の低減を図り、ＬＳＩデバイ
ス製造の簡略化、低温化に好適なヒ素を含むシリコン膜
を形成すや方法に関する。

〔従来の技術〕

モノシラン（ＳｉＨａ）の熱分解を用い、減圧化学気相
成長法（ＬＰＣＶＤ法）により形成した多結晶シリコン
（Ｓｉ）膜は、広く半導体装置の電極や配線に利用され
ている。ＬＰＣＶＤ法により形成した多結晶Ｓｉ膜は、
そのままでは抵抗が極めて大きいため、その後の工程で
、不純物を周知の熱拡散法あるいはイオン打込み法によ
り導入し、導電性を得ている。なお、この種の薄膜形成
方法として関連するものには、例えばジャーナルオブ　
ジ　エレクトロケミカル　ソサイエテイー１２７、（１
９８０年）６８６頁から６９０頁（Ｊ、Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｃｈｅｍ、Ｓｏｃ、　１２７　（１９８０）　ｐ　ｐ（
２） ６８６−６９０）が挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術のうち、多結晶Ｓｉ膜にイオン打込みを行
なった場合、急峻な段差側壁部ではイ・鈍物濃度の不足
する領域を生し、電極あるいは配線に十分な導電性を付
与できない場合があった。また、打込んだイ・鈍物を拡
散、活性化するためには、９００℃以上の熱処理が必要
であった。

一方、熱拡散法による不純物のドーピングにおいては、
品温・長時間の拡散を行なえば、急峻な段差側壁部へも
ドーピングがｎｆ能である。しかし、多結晶Ｓｉ膜がＳ
ｉ基板と接している場所では、基板にまで不純物が拡散
し、例えばＭｏＳトランジスタを槽底するソース・ドレ
インの不純物分布を乱すといった小都合があった。

更に、溝型構造キャパシタにおいては、溝内に埋め込ま
れた電極を多結晶Ｓｉで形成し、イオン打込み法あるい
は熱拡散法を行なった場合、多結品Ｓｊ全体に充分な餓
のイ・鈍物をドーピングすることは困難であった。

（３） 上記問題点を解決する１つの方法として、イ・鈍物をド
ーピングしながら多結晶Ｓｉ膜を形成する方法（ｉｎ　
−５ｉｔｕドーピング法）がある。すなわち、５ｉＨａ
とともに不純物源となるフォスフイン（ＰＨ３）、ジボ
ラン（Ｂ　２　Ｈｅ　）　＋アルシン（ＡｓＨａ）等を
流し、多結晶Ｓｉ膜を形成しなからイ・鈍物をドーピン
グする方法である。しかし、ＳｉＨ４とＦＨｓあるいは
Ａ　ｓ　Ｈｓを用いてＪＰ−ｑを形成した場合には、Ｐ
Ｒ’ｓあるいはＡ　ｓＨｓを添加しない場合に比べて膜
の成長速度が約１桁減少し、量産性に乏しいこと、また
、不純物を十分に活性化するために９００℃〜１０００
℃という高温の熱処理が必要であるため、熱拡散法と同
様に基板Ｓｉ中への不純物拡散を防ぐことができないと
いった欠点があった。

膜の成長速度を増大するために、ＳｉＨ４の代りに５ｉ
ｚｅｓを用いる方法も試みられでいる。しかし、これま
での技術では、５ｉｘＨ６とＰＨａを原料ガスとしても
、不純物を活性化するためには、９００〜１０００°Ｃ
の熱処理が必要である。また、（４） リンはヒ素に比べて拡散定数が大きいため、ＰＨａを原
料ガスに用いている限り、不純物の基板Ｓｉへの拡散は
避けられない。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決すべく、
生産性に優れ、基板Ｓｊへのイ・鈍物拡散がほとんどな
い、導電性の品いＳｉ膜を形成する薄膜形成方法を提供
することにある。

（ｔａｌ１題を解決するための手段〕 上記目的は、以ドによって遠戚される。

■　原料ガスとして５ｉｚＨｓあるいは５ｉ８ｈａ（ト
リシラン）とＡｓＨａを含む混合ガスを用いる。

■　膜形成温度を４５０℃以上５５０℃以ドとする。

〔作用〕

５ｉ２Ｈｅは気相中で ＳｉｚＨｏ（ｇ）→Ｓ　］、　Ｈｚ（ｇ）＋Ｓ　ｉ　Ｈ
４（ｇ）のように分解し、ＳｉＨ２（シリレン）を生じ
る。

５ｉＨｚは５ｉＨａ　に比べ反応性が高いので、Ａ　ｓ
　Ｈｓにより基板Ｓｉ表向への吸着を阻害され（ｂ） ることかない。従って、Ａ　ｓ　Ｈｓの存在の有無に関
係なく、高速で膜を堆積することが可能である。

５ｉＨｓとＡ　ｓ　Ｈｓを原料ガスとした場合、膜形成
温度が５６０℃以トでは、形成した膜は非晶質となる。

この膜は、６５０℃、１５分間という比較的低温の熱処
理で結晶化するが、その後、更に高温で熱処理を行なっ
ても結晶粒径に変化を生しない。また不純物として導入
されたヒ素は、６５０℃の熱処理で完全に活性化される
。従って、６５０　’Ｃの熱処理で十分な導電性が得ら
れ、更に高温での熱処理を行なっても抵抗率に変化を生
じない。

なお、多結晶状態のＳｉ膜にヒ素イオンを打込んだ場合
、及び、ヒ素をドーピングしながら多結晶のＳｉＭを形
成した場合には、結晶粒は９００℃以上の熱処理を行な
わないと成長しないことは公知の事実である。

以上述べたように、５ｉｚＨｅとＡ　ｓ　Ｈｓを原料ガ
スとしてヒ素をドーピングしながら非晶質状態でＳｉ膜
を形成すると、６５０℃程度の熱処理に（６） より脱甲の不純物の活性化と結晶粒の成長が完！する。

このため、従来法のような高温の熱処理を行なわなくて
も、充分に抵抗の低いヒ素を含むＳ　ｉ　１１％が得ら
れる。また、ヒ素は、Ｓｉ中での拡散定数がリンに比べ
て約１桁小さい。従って、本発明によれは、不純物のト
層Ｓｉ層への拡散を防止することができる。

〔実施例〕

以ド、本発明の一実施例を説明する。

実施例１ 第３図に、実験に用いた装置の概略図をボす。

石英管１０の中央に治具３ｏを置き、これに１８閣の間
隔で、試料基板４０を装着し、た。試料基板には、Ｓｉ
上に熱酸化膜１１００ｎを形成したものを用いた。

基板４０を装着し、ｈ英管１０内を排気した後、バルブ
５０及びバルブ６０を開けて、５ｉｚＨｅを５０ｃｃ／
ｍｉｎ　、　Ａ　ｓ　Ｈａを０．２ｃｃ／ｍｉｎ同時に
流した。、５ｉｚＨｓとＡ　ｓ　Ｈｓを流している間の
石英管１０内圧力は３０　Ｐ　ａに保持した。所定時間
ガ（７） スを流して膜形成を行なった後、試料基板４ｏを取り出
した。その後、６５０℃、　８００℃、　９００℃、１
０００℃の窒素雰囲気中で２０分間熱処理を行なった。

熱処理を行なった試料は、抵抗率を四探針法により、ま
た、キャリア濃度と移！ｌ！１１度をホール効果測定に
より測定した。

第１図は、上記基板４０の抵抗率の測定結果を示すもの
で横軸に熱処理温度、縦軸に膜の抵抗率をとったもので
ある。ここでは膜形成温度がｂ２５”Ｃ，５５０℃、５
７５℃における結果を示した。

膜形成温度が５５０℃より高温の場合、抵抗率は熱処理
温度の上昇に従い減少した。これに対し、膜形成温度が
５５０℃以トの場合には、６ｂｏ℃の熱処理で十分な導
電性が得られ、更に高温で熱処理を行なっても抵抗率に
変化を生じなかった。

なお、５５０℃以下の温度で形成した膜は、形成したま
まの状態では非晶質であった。

第２図は、上記基板４０についてのキャリア濃度の測定
結果を示したもので、横軸に熱処理温度、縦軸にキャリ
ア濃度をとったものである。抵抗率（８） と同様、５５０℃以トの膜形成温度では、キャリア濃度
は熱処理温度によらずほぼ一定であった。

第１図、第２図から、ｂｂｏ℃以ドでヒ素をドーピング
しながら形成したＳｉ膜は、６５０℃の熱処理で不純物
の活性化が完！し、それ以上品温での熱処理を行なって
も膜の電気特性に変化がないことがわかる。

第１図、第２図には、−比較のため、従来法における結
果も併せて示した。ここでいう従来法とは、５ｉＨａ　
とＡ　ｓ　Ｈｓ　を原料カスとして用い、６３０’Ｃ，
８０Ｐａの条件ドで５ｉｆｔを２００’ｃｃ／１１ｉｎ
　、　Ａ　Ｓ　Ｈｓ　を０　、２ｃｃ／ｍｉｎ流して、
ヒ素をドーピングしなからＳｉ膜を形成したものである
。

開展は、形成したままの状態で、多結品質であった。５
ｉｚＨｅとＡ　ｓ　Ｈｓを用いた場合と同様の熱処理を
打なったが、不純物の活性化のためには９００℃以上の
熱処理が必要であった。

なお、・５ｉｌ−１＋を用いて６３０’Ｃで多結品状態
のＳｉ膜２００ｎｍを形成し、これにヒ素イオンを打込
んだ場合には、不純物の活性化のために（９） ９００℃以上の熱処理が必要なるとは公知の事実である
。

本実施例によれば、原料ガスとして５ｉｚＨｅとＡ　ｓ
　Ｈａを用いて、ヒ素をドーピングしながら５５０℃以
トの温度でＳｉ膜を形成することにより、ＳｉＨ４とＡ
　ｓ　Ｈｓ　を原料ガスとしてヒ素をドーピングしなが
ら多結品状態の５１１１Ｍを形成した場合、あるいは、
多結晶Ｓｉ膜にイオン打込みによりヒ素をドーピングし
た場合よりもはるかに低温（６５０℃程度）の熱処理で
不純物を活性化できるという効果がある。また、膜形成
後の熱処理温度が変動しても、膜の抵抗率が変化しない
という利点がある。

なお、ｌに形成温度が５５０℃以ドの吸では、キャリア
の移動度が４０ｆｆｌ／ｖ・Ｓ以上と、従来法に比べ２
倍程度大きい。透過型電子顕微鏡による観察から、５５
０℃以下で形成した膜は、膜厚の約１０倍という、従来
法で形成したＳｉ膜の１０倍以上の結晶粒を含むためで
あることが明らかとなった。従って、第１図及び第２図
にボしたよう（１０） に、従来法により少ないイ・鈍物′ａ度でも充分な導電
性を得ることが口■能である。そのため、ト地Ｓｉ基扱
へのイ・鈍物の拡散量を低減できるという効果もある。

実施例２ 本実施例では、急峻な段差部の配線に多結晶Ｓｊｌ換を
用いた場合、イ・鈍物の導入法により配線抵抗がどの程
度光なるかを判定した例について述べる。

第４図にボす手順で、試料Ａ及び試料Ｈを作成した。ま
ず、Ｓｊ系扱１０↓にｊＬｆさ１μｍの熱酸化膜１０２
を形成した（第４１ｄ（ａ））。次いで、周知のりソグ
ラフイとドライエツチング技術により、幅０．８μｍの
溝１０３を等間陥になるように形成した（第４図（ｂ）
）。続いてＬｋ’ＣＶＤ法により５ｉＯｚ膜１０４を１
００　ｎ　ｍ形成した（第４図（Ｃ））。

次いで、以ドの方法で、Ｓ　ｉ　ｌｐ％形成及び不純物
ドーピングを行なった。

試料Ａでは、Ｓ　ｉ　２Ｈ８５０ｃｃ／ｍｉｎとＡ　ｓ
　Ｈ５（１１） ０．２ｃｃ／ｍｉｎをｈ英管内温度５２５℃、圧力３０
Ｐａで同時に流し、ヒ素をドーピングしなから２００ｎ
ｍのＳｉ膜を形成した。

試料Ｂについては、５ｉＨａを原料ガスとし、６３０℃
、８０Ｐａの石英管内で２００ｎｍの多結晶Ｓｉ膜を形
成した後、ヒ素イオンを打込みエネルギー１８０ＫｅＶ
、打込み量５　Ｘ　１０１Ｂａｎ−２で打込んだ。

続いて試料Ａは６５０℃、試料Ｂは９００℃の窒素雰囲
気でそれぞれ６０分間熱処理を行なった。

試料Ａの５ｉｌｌにの平坦部におけるシート抵抗は５０
Ω／口であり、段差１０個を横切る幅０．８μｍの配線
の抵抗は３．ＯＫΩ　と、充分な導電性が得られた。試
料Ｂの多結晶ｓ　１１１％の平坦部におけるシート抵抗
は１２０Ω／口であったが、段差１０個を横切る幅０．
８μｍの配線の抵抗は３５０にΩと非常に高抵抗であっ
た。

本実施例によれば、ヒ素をドーピングしなからＳｉ膜を
形成することにより、イオン打込み法に比べ、急峻な段
差部の配線抵抗を大幅に低減でき（１２） るという効果がある。

実施例３ 本実施例では、不純物ドーピング法の違いが基板Ｓｉ中
への不純物の拡散深さに与える影響を測定した例につい
て述べる。

第４図（ｂ）に示した基板を試料として用いた。

第３図の装置を用い、試料Ｃは、ｒ＋管内温度５２５℃
、ハミカ３０　Ｐ　ａでＳ　ｉ　２Ｈｅ５０ｃｃ／ｍｉ
ｎ、Ａ　ｓ　Ｈａ　０　、２ｃｃ／ｍｉｎを同時に流し
、試料基板４０上にヒ素を含むＳｉ膜２００ｎｍを形成
した。

続いて６５０℃の窒素雰囲気中で６０分間熱処理した。

試料りは、ｈ英管内温度６３０℃、圧力８０ＰａでＳｉ
Ｈ４を原料ガスとして２００ｎｍの多結晶Ｓｉ膜を形成
した。続いてヒ素イオンを、１８０ＫｅＶのエネルギー
で５　Ｘ　１０　”ｃｍ−”打込み、その後９００℃の
窒素雰囲気中で６０分間熱処理を行なった。

試料Ｃ及び試料りは、熱処理後、溝１０３と垂直を串間
に沿って襞ＩＮ　Ｌ、フッ酸・（ｉｌ’ｆ酸混合溶液（
１３） でエツチングした後、断面を走査型電子顕微鏡で観察し
、第４図（ｄ）の拡散層幅Ｘを拡散深さとして評価した
。

試料りの拡散深さが０．１μｍであったのに対し、試料
Ｃの拡散深さは０．Ｏ１μｍ以ドと、無視できる程小さ
かった。

本実施例によれば、原料ガスとして５ｉｚｅｓとＡ　ｓ
　Ｈｓ　を用い、ヒ素をドーピングしながらＳｉ膜を非
晶質状態で形成することにより、活性化のための熱処理
が大幅に低温化できるので、基板中へのイル鈍物の拡散
深さを無視できるほどに小さくできるという効果が明ら
かである。

実施例４ 本実施例では、Ｓｉ膜の形成方法と膜表面の凹凸の関係
について測定した例について述べる。

実施例３で、走査型電子顕微鏡により断面を観察した試
料Ｃ及びＤについて、Ｓｉ膜表血の凹凸を同じく走査型
電子顕微鏡により観察した。

本発明の実施例による５ｉｚＨｅとＡ　ｓ　Ｈｓを用い
て、５２５℃で非晶質状煎で形成したＳｉ膜（１４） （試料Ｃ）の表面は、５万倍の倍率でも凹凸は全く観察
されず、極めて平滑であった。これに対し、従来例とし
ての多結晶Ｓｉ膜形成後にヒ素イオン打込みを行なった
試料りの表面には、０．１μｍ程度の凹凸が観察された
。なお、試料ＣおよびＤの表面状態は、熱処理を行なっ
ても傘化しなかった。

試料３では５２５℃でＳｊ膜を形成したが、脱形成温度
はｂ７ｂ℃７ｂであれば、平滑な表向を得ることができ
る。５ｉｚｅＢのかわりに５ｉｌＨａを原料ガスとして
用い、６３０℃でヒ素を添加しながら形成した多結晶Ｓ
　ｉ　１１（４の表出■では、０．０５μｍ程度の細か
い凹凸が＊察された。

本実施例によれば、原料ガスとして５ｉｘＨｅとＡ　ｓ
　Ｈａを用い、ヒ素をドーピングしながら非晶質状態で
Ｓｉ膜を形成することにより、極めて平滑なＳｉ表面を
得られる効果がある。

実施例す 本実施例では、本発明をＭＯ８型１〜ランジスタの形成
に実施した例を示す。

（１ｂ） 第５図に示した試料を作成した。まず、１０Ω・（７）
（１００）ｐ型Ｓｉ基板２０１の表山に、周知の選択酸
化技術によりフィールド酸化膜２０２を形成した。次い
で、酸素雰囲気中でＳｉ基板を酸化し、２０ｎｍのゲー
ト酸化膜２０３を形成した。

続イテ、ＬＰＣＶＤ法により、多結晶Ｓｉ膜２０４を２
００ｎｍ形威した後、リンの熱拡散を行ない、これを加
工してゲート電極とした。続いて、リン及びヒ素イオン
打込みを順次行なった後、９００℃の窒素雰囲気中で６
０分間熱処理を行ない、ソース・ドレイン領域２０５を
形成した。その後、ＣＶＯ法により層間５ｉ０２１１惚
２０６を形成した。

これに接続孔を開けた。

続いて、Ｓ　ｉ　２Ｈ１１５０ｃｃ／　ｍｉｎとＡ　ｓ
　Ｈａ　Ｏ，２ｃｃ／ｍｉｎを温度５２５℃、圧力３０
Ｐａのｈ英管内に流し、ヒ素をドーピングしながら２０
０ｎｍのＳｉ膜２０７を非晶質状態で形成した。その後
６５０℃の窒素、雰囲気で６０分間熱処理して、Ｓｉ膜
の結晶化とヒ素の活性化を行なった。そして、Ｓｉ膜２
０７を加工して、引出配線とした。

（］６） 比較のため、従来技術として、Ｓｉ膜２０′ｌの形成を
多結晶状態で行ない、これにヒ素イオンを１８０ＫｅＶ
、ｂＸ１０１５ａｎ−”の条件で打込み、続いて９００
℃の窒素雰囲気中で６０分熱処理し・て引出配線を形成
した試料も作成した。

本発明の方法により作成したＭＯ８型トランジスタは、
従来技術により作成したものに比べ、配線の抵抗が低く
、しかもより高いパンチスルー耐圧をボした。

本命り」によれば、５ｉ２ｅｓとＡ　ｓ　）ｉ　ａを用
い、ヒ素をドーピングしながら非晶質状態で形成し、こ
れを結晶化したＳ　ｉ　１％をＭＯ８型トランジスタの
ソース・ドレインの引出配線に用いることにより、トラ
ンジスタのバンチスルー耐圧が向上できるという効果が
ある。　゛ 上記の実施例１から実施例５では、条件を限定して実験
を行なった。石英管内の温度が４５０℃より低い場合に
は、脱の成長速度が１　ｎ　ｍ　／　ｍｉｎ以ドと極め
て小さくなり、スループットが著しく低ドするため、実
際のＬＳＩデバイス製造には適（１７） さない。ｈ英管内の温度が５５０℃より篩い場合には、
第１図あるいは第２図に示した如く、熱処理温度がかわ
ると腺の抵抗率、キャリア濃度、移動度が大きく変化す
るため、制御性が悪くなる。

石英管内温度が４５０℃以上、５５０℃以トの範囲であ
れば、いずれの実施例においても所望の効果を得ること
ができる。また、５ｉｚＨｅのかわりに５ｉａＨａを用
いた場合においても、上記実施例のいずれにおいでも所
望の効果を得ることができる。なお、キャリアガスとし
て、室索あるいはヘリウムなどの不活性なガスを混合す
ることにより、ウェーへ間の膜厚・抵抗の均一性を向上
することができる。このような場合においても本発明が
有効であることは言うまでもない。

〔発明の効果〕　　　　　　□ 本発明によれば、膜厚方向に所望の不純物分布を有する
ヒ素を含むＳｉ膜を形成することができる。このＳ　ｉ
　１％中の不純物は、従来法よりはるかに低温の熱処理
で活性化させることがμ■能である。

従って、基板のイ・鈍物分布を乱すことなく、急峻（１
８） な段差の側壁や溝内の多結品Ｓｉ膜へのドーピングが可
能となり、電極・配線の低抵抗化が図れる。

更に、ＬＳＩデバイスのＨ′Ｊ！１において、大幅な工
程の簡略化、低温化を図ることができ、歩留りの向上、
生跪コストの低減にも大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例と従来例によるＳｉ薄膜の熱処
理温度と抵抗率の関係を示す測定図、第２図は本発明の
実施例と従来例によるＳｉ薄膜の熱処理温度とキャリア
濃度の関係を示す測定図、第３図は本発明を実施するに
あたり用いた装置の模式的側断曲図、第４図は本発明の
実施例で用いた試料の作成手順をボす断面図、第５図は
本発明の方法を用いて作成した半導体装置の断面図であ
る。 １０・・・ｈ臭性、２０・・・ヒータ、３０・・・治具
、４０・・・基板、５０，６０．’７０・・・バルブ、
８０・・・排気系、１０１・・・Ｓｉ基板、１０２・・
・熱酸化膿、１０３段差部、１０４・・・にＶＤＳｉＯ
２膜、１０５・・・多結品Ｓｉ膜、１０６・・・拡散層
、２０１・・・Ｓｉ基板、（１９） ２０２・・・フィールド酸化膜、２０３・・・ゲート酸
化膜、２０４・・・リンドープＳｉ膜、２０５・・・拡
散層、２０６−ＣＶＤＳｉＯ２，膜、２０７　・・・ヒ
素ドープＳｉ膜。 （２０） （鴫Ｖ）痺■や

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、任意の段差を有する基板上に、減圧化学気相成長法
   を用いて不純物をドーピングしながらシリコン膜を形成
   する方法において、原料ガスにジシランあるいはトリシ
   ランとアルシンを含んだ混合ガスを用いることを特徴と
   する薄膜形成方法。 ２、上記シリコン膜の形成を、４５０℃以上５５０℃以
   下で行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の薄膜形成方法。 ３、特許請求の範囲第１項及び第２項記載の薄膜形成方
   法により形成され、その後の熱処理により多結晶化した
   際、粒径が膜厚の少なくとも１０倍以上の結晶粒を含み
   、表面の凹凸が５ｎｍ以下であることを特徴とするヒ素
   を含有した多結晶シリコン膜。 ４、特許請求の範囲第３項記載のヒ素を含有した多結晶
   シリコン膜を具備する半導体装置。