JPH05251347A

JPH05251347A - 成膜方法

Info

Publication number: JPH05251347A
Application number: JP3878792A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Mikata; 裕一見方; Katsuya Okumura; 勝弥奥村; Reiji Niino; 礼二新納; Yoshiyuki Fujita; 義幸藤田; Hiroshi Suzuki; 博鈴木
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd; Tokyo Electron Tohoku Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd; Tokyo Electron Tohoku Ltd
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1993-09-28

Abstract

(57)【要約】【目的】シリコン以外の成分が含まれている第１の層
の上にシリコンを主成分とする第２の層を形成する場合
に、成膜の遅れ時間をなくすこと。【構成】ウエハＷ上にポリシリコン層及びリン吸着層
をこの順に形成した後反応管内の温度を例えば６００℃
以上に設定して、シリコン層を形成するための処理ガス
を反応管内に導入して例えば反応管内を０．４Ｔｏｒｒ
の圧力に維持する。この処理ガスとしては、成膜工程の
少なくとも初期には例えばモノシランガスと少量のキャ
リアガスとの混合ガス、あるいは１００％のモノシラン
ガスを用いる。リンが下地である場合には、ＳｉＨ_４の
吸着が阻止され、その分解生成物の吸着を介してＳｉＨ
_４の吸着が起こると考えられるので、上述の如く処理ガ
スを用いることにより図２に示すように成膜の遅れ時間
（インダクションタイム）Ｔが短くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体デバイス
の製造工程における成膜方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】半導体
デバイスにおいて、ポリシリコン膜はトランジスタのゲ
ート電極などをはじめ広範囲に用いられており、特にデ
バイスの微細化が進んでディープサブミクロン領域にな
ると、コンタクトホールの埋め込み電極などを形成する
場合に信頼性の高い材料として不可欠なものになってい
る。このようなことからポリシリコン膜に不純物をドー
ピングする方法についても今後一層検討を重ねなければ
ならない状況にある。

【０００３】ところで、不純物例えばリン（Ｐ）をドー
プしたポリシリコン膜を形成するためにＨＯＴＷＡＬＬ
型減圧ＣＶＤを利用した代表的な方法として、例えばヘ
リウム（Ｈｅ）ガスでフォスフィン（ＰＨ_３）ガスを希
釈したドープ用ガスと、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガスま
たはジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）ガスを例えばヘリウムガス
で希釈した成膜用ガスとを同時に反応管内に供給すると
共に、当該反応管内を所定の減圧状態に維持しながら成
膜するｉｎ−ｓｉｔｕ法が知られている。

【０００４】このｉｎ−ｓｉｔｕ法は、ドープ用ガスの
流量を調整することにより薄膜中のリン濃度をコントロ
ールできるなどの利点があり、ド−プトポリシリコン膜
を成膜する有効な方法として広く実施されている。

【０００５】しかしながらこのｉｎ−ｓｉｔｕ法におい
ては、ウエハの周縁部が中央部よりも厚くなる傾向が強
く、膜厚に対してウエハの面内均一性を得にくいという
欠点がある。ここでデバイスの微細化、高信頼性の要求
に伴い、膜厚の面内均一性についてもより一層高めなけ
ればならず、このため従来では、例えば外径がウエハの
径よりも大きいダミーリングあるいはダミーディスクを
ウエハボートに設けて、これらの上に爪を介してウエハ
を載置し、ウエハボートの外縁部における成膜領域にダ
ミーが存在することにより、その内方側におけるウエハ
の膜厚の面内均一性を確保するようにしている。

【０００６】しかしながらこのような方法では、治具類
が複雑になるのでコスト高になる上、面間距離が大きく
なってしまうのでウエハボートの段数が少なくなり、１
バッチ当りの処理枚数が少なくなるなどの欠点があっ
た。

【０００７】このようなことから本発明者は、モノシラ
ンガスなどの成膜用ガスの供給とドープ用ガスの供給と
の各タイミングを分離して、これら工程を交互に行い、
これにより得られたノンドープのシリコン層とリン吸着
層との多層の積層体をアニール処理して、リンをドープ
したポリシリコン層を得る方法を検討している。

【０００８】この方法における成膜用ガスとしては、ジ
シランガスやトリシランガスを用いると成膜速度が早過
ぎて成膜用ガスの供給状態に応じて膜厚が可成り不均一
になっしまうことから、モノシランガスを用いることが
有利である。しかしながらモノシランガスを用いた場合
には、シリコン層の成膜工程初期において、リン吸着層
の表面に成膜が起こらず、成膜が起きるまで可成り長い
遅れ時間があり、このためスループットが低く、またバ
ッチ処理を行う場合には、この遅れ時間が面間でばらつ
くことから膜厚の面間均一性が悪く、ｉｎ−ｓｉｔｕ法
に代わるこうした成膜方法を量産レベルで実現させるこ
とが困難になっている。

【０００９】本発明はこのような事情のもとになされた
ものであり、その目的は、例えばシリコン以外の成分よ
りなる層の表面にシリコンを主成分とする層を形成する
にあたって、成膜の遅れ時間を短縮することのできる成
膜方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、シリコン以外
の成分が含まれている第１の層の表面に、処理ガスを反
応させてシリコンを主成分とする第２の層をＣＶＤによ
り成膜する成膜方法において、前記第２の層の成膜工程
の少なくとも初期には、処理ガス中のキャリアガスの混
合量が零または少量であることを特徴とする。

【００１１】

【作用】第１の層を形成した後、例えば第２の層である
ノンドープのシリコン層を形成するためにモノシランガ
スを用いる場合、キャリアガスを零としてモノシランガ
スを１００％とするか、またはキャリアガスを混合した
としてもその量を少量にする。そして第１の層に例えば
リンが含まれる場合、ＳｉＨ_４の吸着が阻止され、その
分解生成物の吸着を介してＳｉＨ_４の吸着が起こると考
えられるので、上述のような処理ガスを用いることによ
り、前記分解生成物の量が多くなり、この結果下地が早
く覆われるので、成膜の遅れ時間が短くなる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明方法を実施するための成膜装置
の一例を示す縦断側面図である。加熱炉１はベースプレ
ート１０上に設置されており、金属板１１の内面に積層
された断熱層１２の内周面に、後述の反応管を囲統する
ようにヒータ１３を設けて構成される。

【００１３】前記加熱炉１内には、例えば石英からな
る、上端が閉じている外筒２１と、この外筒２１内に同
心状に配置された例えば石英からなる内筒２２とを備え
た、被処理雰囲気を形成する２重管構造の反応管２が設
けられている。

【００１４】前記外筒２１及び内筒２２は、各々その下
端にてステンレス等からなる筒状のマニホールド３に保
持されており、このマニホールド３は前記ベースプレー
ト１０の開口部に挿入された状態で固定されている。前
記マニホールド３の下端開口部には、当該開口部を気密
に封止するためのキャップ部３１が開閉自在に設けられ
ている。

【００１５】前記キャップ部３１の中心部には、例えば
磁気シールにより気密な状態で回転可能な回転軸３２が
挿通されており、回転軸３２の下端は昇降台４の図示し
ない回転機構に接続されると共に、上端はターンテーブ
ル３３に固定されている。前記ターンテーブル３３の上
方側には、保温筒３４を介してウエハボート５が搭載さ
れており、このウエハボート５は、例えば１５０枚の半
導体ウエハＷを所定の間隔で積み重ねて収容できるよう
になっている。

【００１６】前記昇降台４は、昇降軸４１に沿って昇降
し、ウエハボート５を反応管２内に対してロード、アン
ロードする役割をもつものである。

【００１７】前記マニホールド３の下部側面には、成膜
用ガス例えばモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスを反応管２内
に導入するための第１のガス導入管６１及び第２のガス
導入管６２が挿設されており、これらガス導入管６１、
６２は共通の図示しないガス供給源に接続されている。
そして第１のガス導入管６１は、ガス流出口がウエハボ
ート５の上部に位置するように上方に向けてＬ字状に曲
折されると共に、第２のガス導入管６２は、ガス流出口
がウエハボート５の下端部付近に位置するように同様に
Ｌ字状に曲折されている。

【００１８】また前記マニホールド３の下部側面には、
ドープ用ガス例えばフォスフィン（ＰＨ_３）をヘリウム
ガスなどのキャリアガスと混合して反応管２内に導入す
るための第３の導入管７が水平に挿設されている。

【００１９】一方前記マニホールド３の上部側面には、
外筒２１と内筒２２との間隙から処理ガスを排出して反
応管２内を所定の減圧雰囲気に設定するための、図示し
ない真空ポンプに連結された排気管８が接続されてい
る。

【００２０】次に上述の成膜装置を用いた本発明方法の
実施例について説明する。先ずヒータ１３により、ウエ
ハボート５のセンター部（上下方向の中央部）の温度が
例えば６２０℃となるように反応管２内の被処理雰囲気
を加熱しておいて、反応管２内に下方開口部から昇降台
４により、例えば４．７６ｍｍのピッチで１００枚のウ
エハＷを収容したウエハボート５をロードする。

【００２１】次に反応管２内を所定の真空度例えば１×
１０^−３Ｔｏｒｒまで真空引きした後に第２のガス導入
管６２（短い方のガス導入管）から薄膜の主成分を含む
成膜用ガスである１００％のモノシランガスを１８０Ｓ
ＣＣＭの流量で内筒２２内に導入いると共に、反応管２
内を０．４Ｔｏｒｒの圧力となるように図示しない排気
系に設けられたバルブを自動調整して排気を行い、ウエ
ハボート５を例えば３ｒｐｍの回転数で回転させながら
１０分間成膜を行う。

【００２２】続いてモノシランガスの供給を止め、反応
管２内のガス（モノシランガス）を排出するために、排
気管８に接続された図示しない真空ポンプにより例えば
３０秒間程度真空引きする。

【００２３】しかる後第３のガス導入管７からドープ用
ガスである例えばフォスフィンガスをヘリウムガスで１
０％に希釈した混合ガスを１００ＳＣＣＭの流量で内筒
２２内に導入すると共に、反応管２内を０．５Ｔｏｒｒ
の圧力となるように排気を行い例えば１分間成膜を行
う。

【００２４】その後フォスフィンガスの供給を止め、反
応管２内のガスを排出するために例えば３０秒間程度真
空引きし、続いて第１のガス導入管６１及び第２のガス
導入管６２から処理ガスとしてのモノシランガスを夫々
１００ＳＣＣＭ及び８０ＳＣＣＭの流量で内筒２２内に
導入すると共に、反応管２内を０．４Ｔｏｒｒの圧力と
なるように排気を行い、例えば１０分間成膜を行う。更
にその後反応管２内を上述のように３０秒間程度真空引
きする。

【００２５】このような操作によって先ずウエハＷの表
面にシリコン層が形成され、その上に第１の層であるリ
ン吸着層及び第２の層であるシリコン層が吸着される。
この場合における第２の層のインダクションタイム（処
理ガスの供給時点から成膜が起こり始めるまでの遅れ時
間）を調べるために、第１の層を形成した後、モノシラ
ンガスを内筒２２内に導入した時点（反応開始時）から
の経過時間と膜厚との関係をウエハボート５の異なる高
さ位置のウエハＷについて調べたところ、図２に示す結
果が得られた。図中□印、△印、○印はウエハＷ群のト
ップ部（最上段位置）、センター部（中央位置）、ボト
ム部（最下段位置）のデータに夫々対応する。

【００２６】この結果からわかるように、インダクショ
ンタイムＴは２分３０秒と可成り短かく、また面間（ウ
エハＷ間）におけるインダクションタイムＴ及び成膜速
度も揃っており、膜厚の面間均一性が高い。

【００２７】一方第２の層であるシリコン層を第１の層
であるリン吸着層の表面に形成するにあたって、モノシ
ランガス１００％を用いる代わりに、モノシランガスの
混合比が２０％となるようにキャリアガスであるヘリウ
ムガスを混合した混合ガスを用いた他は上述実施例と全
く同様にして成膜を行い、反応開始時からの経過時間と
膜厚との関係を同様に調べたところ、図３に示す結果が
得られた。この結果からわかるようにこの場合にはイン
ダクションタイムＴは３２〜３８分程度であって、モノ
シランガス１００％を用いた場合のインダクションタイ
ムの１０倍以上もの長さに相当し、しかも面間における
インダクションタイムＴにばらつきがあるため、膜厚の
均一性が悪い。

【００２８】このようにインダクションタイムＴが発生
し、かつ成膜条件によってその長さが異なる理由は次の
ように考えられる。即ちモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスに
よりシリコン基板表面にＳｉを積層する場合図４に示す
ように、基板表面に吸着したＳｉＨ_４が矢印ａのように
ＳｉＨ_２の過程を経てＳｉになる反応が主であり、気相
中にて下記（１）式の反応の起こる確率は小さい。

【００２９】ＳｉＨ_４→ＳｉＨ_２＋Ｈ_２…（１）しかしながらリン吸着層が表面に形成されている場合に
は、リン吸着層の表面状態が安定しているため、モノシ
ラン（ＳｉＨ_４）は表面への吸着が阻害され、反応に寄
与することができない。反応に寄与するのは、矢印ｂで
示すように上記（１）式の反応より生成したＳｉＨ_２で
あるが、気相中にて（１）式の反応が起こる確率は極め
て小さいため、ＳｉＨ_４ガスを流し始めた初期は見かけ
上シリコン膜が形成されない。そしてリン吸着層の表面
にＳｉＨ_２が吸着され更にこれが分離してＳｉになり、
それ以降は成膜が進行する。

【００３０】このようにしてインダクションタイムＴが
発生するため、インダクションタイムＴの長さは反応に
寄与するＳｉＨ_２の量と密接に関連し、従ってモノシラ
ンガスとキャリアガスとの混合比によ大きく左右される
ものと推察される。この結果インダクションタイムＴを
短くするためには、処理ガス中のキャリアガスの混合量
は零（上述の例ではモノシランガス１００％に相当す
る）または少量であることが必要であり、例えば５０％
（処理ガス中の混合比）以下であればインダクションタ
イムＴの短縮化が図れる。

【００３１】そしてまた面間におけるインダクションタ
イムＴのばらつきを抑えるためには、各面間にＳｉＨ_２
をできるだけ均一に供給することが必要であり、従って
図１に示すように反応管２内に例えば長短２本のガス導
入管６１、６２を設けて、上流側と下流側に均一にモノ
シランガスを供給することが望ましい。

【００３２】次にインダクションタイムが反応管２内の
温度と圧力とに対してどのように関連しているかを調べ
るために、反応温度を５８０℃、５９０℃、５９５℃、
６００℃の４通りに設定し、その他の条件は上述実施例
と同様にして第２の層であるシリコン層のインダクショ
ンタイムを測定すると共に、第２の層の成膜工程におけ
る反応圧力を０．４Ｔｏｒｒとする代りに０．８Ｔｏｒ
ｒに設定して、同様に５８０℃。５９０℃、５９５℃、
６００℃の４通りの温度条件下におけるインダクション
タイムを測定したところ、図５に示す結果が得られた。
図５中、□印、△印、○印は圧力が０．８Ｔｏｒｒの場
合におけるウエハＷ群のトップ部、センター部、ボトム
部のデータに夫々対応し、また■印、▲印、●印は圧力
が０．４Ｔｏｒｒの場合におけるウエハＷ群のトップ
部、センター部、ボトム部のデータに夫々対応してい
る。

【００３３】図５の結果からわかるように反応温度が高
くなるにつれて、また反応圧力が高い程インダクション
タイムが短くなる傾向にある。一方反応圧力が高過ぎる
と、一般に膜厚の均一性が悪くなることから、反応圧力
をあまり高くすることはできず、この点を考慮すると、
インダクションタイムを短縮するためには、モノシラン
ガスを１００％とするか、キャリアガスを少量に抑える
ことに加えて、反応温度をおよそ６００℃以上とするこ
とが好ましい。

【００３４】次に上述実施例のようにリン吸着層の表面
にシリコン層を形成した後、上述実施例の最終目的であ
るリンをドープしたシリコン薄膜を得るために次のよう
な工程を行った。即ち、リン吸着層形成→排気→シリコ
ン層形成→排気を２０回繰り返して図６に示すようにシ
リコン層９１とリン吸着層９２と交互に積層した積層体
９を得、しかる後反応管２内を窒素ガス（Ｎ_２ガス）雰
囲気下で９００℃に加熱して、上述の積層体９に対して
アニール処理を６０分間行ったところ、リン濃度が２×
１０^２０個／ＣＣ、膜厚が４０００オングストロームの
シリコン薄膜が得られた。

【００３５】こうして得られたシリコン薄膜は、従来の
ｉｎ−ｓｉｔｕ法により得られたシリコン薄膜に比べて
面内均一性が良好である。そして積層体９のシリコン層
９１を形成する場合に上述のようにしてインダクション
タイムを短縮化すれば、高いスループットでリンをドー
プしたシリコン薄膜を得ることができ、しかもインダク
ションタイムの短縮化により面間の膜厚のばらつきも低
く抑えることができるので、積層体９を形成してアニー
ルするという新しい方法を量産レベルで実現することが
できる。

【００３６】以上において、第１の層としてはリン吸着
層に限らずリンをドープしたシリコン層であってもよ
く、この場合表面に安定したリンの層が形成されるの
で、本発明を適用することは有効である。

【００３７】この他第１の層としては、リン以外の不純
物をドープしたシリコン層あるいはその不純物のみから
なる層であってもよく、更に第２の層のシリコン層はシ
リコン以外の成分を含むものであってもよい。

【００３８】また本発明は、モノシランガスに限らずジ
シランガスやトリシランガス、更にはこれらの混合ガス
などを用いたときにも、下地の材質との関係でインダク
ションタイムが発生する場合には有効に適用できる。例
えばジシランガスを用いた場合下記（２）式の反応が起
こる確率は極めて高く、Ｓｉ_２Ｈ_６を用いてＳｉを形成
する過程は気相反応の占める割合が高くなり、均一性も
悪くなる。

【００３９】Ｓｉ_２Ｈ_６→ＳｉＨ_４＋ＳｉＨ_２ …（２）また、ウエハの面内、面間におけるＳｉＨ_２の占める分
圧は極端に異なっており、特に縦型炉の場合ボトムゾー
ンではＳｉＨ_２が充分に存在しているが、トップゾーン
ではＳｉＨ_２は既に消費されておりほとんど存在してい
ない。従ってインダクションタイムはボトムゾーンでは
短縮されるが、トップゾーンではもとのままであり、面
間の均一性が得にくくなる。この様なことからジシラン
ガスを用いる場合にもキャリアガスを零または少量にす
ることは有効である。

【００４０】更に本発明は、処理ガスのキャリアガスの
混合量を零または少量にすることは、少なくとも第２の
層の成膜工程の初期であればよく、成膜が進行した後は
キャリアガスを多量に流すようにしてもよい。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、シリコン以外の成分が
含まれている第１の層の表面にシリコンを主成分とする
第２の層を形成するにあたって、少なくとも成膜初期時
にキャリアガスの混合量を零または少量にしているた
め、成膜の遅れ時間（インダクションタイム）を短かく
することができ、従ってスループットの向上を図ること
ができると共に、バッチ処理を行う場合にはインダクシ
ョンタイムのばらつきが小さくなるので、面間の膜厚均
一性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で用いる装置の一例を示す縦断
側面図である。

【図２】反応時間と膜厚との関係を示す特性図である。

【図３】反応時間と膜厚との関係を示す特性図である。

【図４】モノシランガスの吸着の様子を示す説明図であ
る。

【図５】反応管内の圧力をパラメータとした反応温度と
インダクションタイムとの関係を示す特性図である。

【図６】熱処理前の積層体を示す説明図である。

【符号の説明】

１加熱炉２反応管３マニホールド４昇降台５ウエハボート６１、６２、７ガス導入管８排気管９１ポリシリコン層９２リン層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者奥村勝弥神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝多摩川工場内 (72)発明者新納礼二東京都新宿区西新宿２丁目３番１号東京エレクトロン株式会社内 (72)発明者藤田義幸東京都新宿区西新宿２丁目３番１号東京エレクトロン株式会社内 (72)発明者鈴木博岩手県江刺市岩谷堂字松長根52番地東京エレクトロン東北株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン以外の成分が含まれている第１
の層の表面に、処理ガスを反応させてシリコンを主成分
とする第２の層をＣＶＤにより成膜する成膜方法におい
て、前記第２の層の成膜工程の少なくとも初期には、処理ガ
ス中のキャリアガスの混合量が零または少量であること
を特徴とする成膜方法。