JPH05251357A - 成膜方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄膜の膜厚における面内均一性を向上させ、
かつ良好なステップカバレ−ジ形状を得ること。 【構成】 反応管内に多数のウエハを搭載したウエハボ
ートをロードし、反応管内を例えば６２０℃に加熱し、
真空引きした後１００％モノシランガスを導入し、減圧
状態でウエハ上にポリシリコン層９１を形成する。その
後反応管内を排気してからフォスフィンガスを導入して
減圧状態でリン吸着層９２をポリシリコン層９１上に形
成し、更に反応管内を排気してから１００％モノシラン
ガスにより、リン吸着層９２上にポリシリコン層９１を
形成する。このような操作を繰り返してサンドイッチ構
造の積層体９を得た後アニール処理してリン吸着層９２
のリンをポリシリコン層９１内に拡散させる。

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】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
可欠のものになっている。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方法として、従来イオ
ン注入によりリンをポリシリコン膜内に打ち込み、その
後アニール処理する方法や、あるいはＰＯＣｌ_３ガスを
用いてＰ_２Ｏ_５膜をポリシリコン膜の表面に形成し、そ
の後拡散処理する方法などが知られている。

【０００４】またＨＯＴ−ＷＡＬＬ型減圧ＣＶＤを利用
した方法として、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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらイオン注
入によりリンをドープする方法は、イオン注入の衝撃に
よりポリシリコン膜中の結晶が破壊する欠点があるし、
またＰＯＣｌ_３ガスを用いた方法は、深さ方向の濃度均
一性が悪く、更にＰ_２Ｏ_５膜を削る工程を必要とするの
で工程が繁雑であるという欠点がある。

【０００６】これに対し、ｉｎ−ｓｉｔｕ法は、上述の
ような欠点がないし、また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、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が、このｉｎ−ｓｉｔｕ法に
おいては、ウエハの周縁部の膜厚が中央部よりも厚くな
る傾向が強く、膜厚につい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。

【０００７】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。

【０００８】また一般にモノシランガスを用いてポリシ
リコン膜を形成する場合には良好なカバレ−ジ形状が得
られるが、モノシランガスとホスフィンガスとを同時に
流す場合には、図７に示すように凹部ａ内の側壁及び底
部の成膜速度が凹部ａ以外の箇所の成膜速度よりも小さ
くるため、凹部ａの入口ｂが内部よりも狭くなってカバ
レ−ジ形状が悪くなり、この結果内部に空洞部（ｖｏｉ
ｄ）ｃが形成されるおそれがあり、この傾向は、ポリシ
リコン膜中のリン濃度が高くなるにつれて大きくなって
いく。

【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、不純物をドープした薄膜を成
膜するにあたって、膜厚の面内均一性を向上することが
でき、また良好なステップカバレ−ジを得ることのでき
る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】請求項１の発明は、不純
物をドープした薄膜を被処理体上に成膜する方法におい
て、薄膜の主成分を含む成膜用ガスを被処理雰囲気中に
供給するか、または成膜用ガスに加えて不純物を含むド
ープ用ガスを被処理雰囲気中に供給して、不純物が零ま
たは低濃度の第１の層を形成する第１の工程と、ドープ
用ガスを被処理雰囲気中に供給するか、またはドープ用
ガスに加えて成膜用ガスを被処理雰囲気中に供給して不
純物のみまたは不純物が高濃度の第２の層を形成する第
２の工程とを交互に行い、これにより得られた薄膜を熱
処理して第２の層の不純物を第１の層内に拡散させるこ
とを特徴とする。

【００１１】請求項２の発明は、第１の工程及び第２の
工程の間に、第１の工程または第２の工程で用いたガス
を被処理雰囲気から排出する工程を含むことを特徴とす
る。

【００１２】

【作用】前記第１の工程及び第２の工程を交互に行うこ
とによって、例えば不純物を含まない第１の層と不純物
のみの第２の層とが交互に積層された積層体が得られ、
これを熱処理することによって第２の層の不純物が第１
の層内に拡散し、不純物をドープした薄膜が得られる。
ここで不純物の上に薄膜の主成分が付着するときに成膜
速度の面内不均一性が起こると考えられ、成膜用ガスと
ドープ用ガスとを同時に被処理雰囲気に供給すると、成
膜中は常に不純物が表面に点在した状態にあるから、成
膜速度の面内不均一性が起こり、このため薄膜の膜厚の
面内均一性が悪くなる。

【００１３】これに対して本発明によれば、例えば成膜
用ガス及びドープ用ガスを交互に流す場合には、第２の
層を形成した後第１の層を形成する初期時にのみ成膜速
度の不均一性が起こり、また第１の工程にて成膜用ガス
に加えてドープ用ガスを流す場合にも不純物量は少ない
し、あるいは第２の工程にてドープ用ガスに加えて成膜
用ガスを流す場合にも薄膜の主成分の量は少ないので、
結局成膜中における成膜速度の面内不均一性の程度が小
さく、この結果膜厚の面内均一性が向上する。

【００１４】また請求項２の発明のように第１の工程
と、第２の工程との間に被処理雰囲気のガスを排出する
ようにすれば、各工程で用いられるガスの混合を避ける
ことができるので、上述の理由から成膜速度の面内不均
一性をより一層おさえることができる。

【００１５】

【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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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）ガスやジシランガ
ス（Ｓｉ_２Ｈ_６）ガスを例えば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は別系統の図示しな
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。このように成膜用ガスの導入管を長短２本の構造と
することにより、成膜用ガスをウエハボート５上の各ウ
エハＷに対してより均一に供給することができる。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。続いてドープ用ガスの供給を止め、反応管２内のガ
スを反応管２内から排出するために例えば３０秒間程度
真空引きし、その後第１のガス導入管６１及び第２のガ
ス導入管６２から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となるように排気を行い、
例えば１０分間成膜を行う。この成膜を行った後に更に
反応管２内のガスを排出するために同様に３０秒間程度
真空引きする。

【００２７】このような操作によって、先ずウエハＷの
表面にポリシリコン層が形成され、その上にリン吸着層
及びポリシリコン層がこの順に形成される。そしてこの
実施例では、図２のシーケンス図に示すようにリン吸着
層を形成する工程以後の各工程、即ちリン吸着層形成→
排気→ポリシリコン層形成→排気の各工程を複数回例え
ば２０回繰り返すことによって図３に示すようにポリシ
リコン層９１の間にリン吸着層９２が挟まれたいわばサ
ンドイッチ構造の積層体９が形成される。この実施例に
おいて、モノシランガスによりポリシリコン層９１を形
成する工程、及びフォスフィンガスによりリン吸着層９
２を形成する工程は、夫々本発明の第１の工程及び第２
の工程に相当するものである。

【００２８】そしてこのような操作を行った後に反応管
２内を窒素（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ポリシリコン薄膜が得ら
れ、このポリシリコン薄膜の面内均一性は±２．１〜
３．４％であった。

【００２９】上述実施例において、シリコン層９１を形
成する場合、被処理雰囲気の温度を５８０℃以下、また
は６１０℃以上とすることが望ましい。その理由はシリ
コンは５８０℃以下ではアモルファス状態、６１０℃以
上では多結晶状態であり、この間の温度範囲では、両方
の状態が入り混ざっていて表面が粗くなり、このためリ
ンの吸着量について面間の吸着量のばらつきが大きいか
らである。

【００３０】次にリン吸着層９２を４０層形成した他は
上述実施例と全く同様にして薄膜を形成し、またリン吸
着層９２を８層形成した他は上述実施例と全く同様にし
て薄膜を形成し、各薄膜の成膜速度とウエハの高さ位置
との関係を調べたところ、図４に示す結果が得られた。
図４において縦軸は、図３に示すサンドイッチ構造の薄
膜（積層体）の厚さを成膜に要した時間（各工程の排気
時間は除く）で割り算して得た成膜速度であり、横軸は
ウエハボートの最下段から数えた位置である。また図４
中○、△、□は夫々リン吸着層が４０層、２０層、８層
に対応するデータである。各条件において成膜速度の面
内均一性、面間均一性を評価したところ、次のとおりで
あった。

【００３１】（リン吸着層が８層の場合）面内均一性：
±１．３〜１．９％ 面間均一性：±３．７％ （リン吸着層が２０層の場合）面内均一性：±２．１〜
３．４％ 面間均一性：２．３％ （リン吸着層が４０層の場合）面内均一性：±３．６〜
４．７％ 面間均一性：±２．９％ 以上の結果において、フォスフィンガスとモノシランガ
スとを同時に反応管内に導入して成膜していたｉｎ−ｓ
ｉｔｕ法における膜厚の面内均一性が１０％前後である
ことからすれば、各条件の膜厚の面内均一性はｉｎ−ｓ
ｉｔｕ法に比べて格段に向上していることが理解でき
る。

【００３２】また成膜速度は、ｉｎ−ｓｉｔｕ法の場合
１０オングストローム／分程度であるが、本発明方法で
は図４からわかるように２５オングストローム／分〜５
５オングストローム／分であり、従って本発明方法の方
が可成り早くなっている。そしてまた膜厚の面間均一性
についてもｉｎ−ｓｉｔｕ法の場合１０％程度であるこ
とから、本発明方法はｉｎ−ｓｉｔｕ法に比べて優れて
いることがわかる。

【００３３】更に上述の各条件で得られた薄膜について
リン濃度の面間均一性、比抵抗の面間均一性についても
調べたところ、夫々５％前後、及び２〜４％程度であ
り、良好な結果であった。

【００３４】更にまた第１の層であるポリシリコン層の
厚さと、薄膜のリン濃度との関係を調べるために、ポリ
シリコン層の厚さを種々変えて、リン濃度を測定したと
ころ、図５に示す結果が得られた。ただし、モノシラン
ガスを反応管内に供給する時間をコントロールした以外
は上述実施例と同様の方法で実施した。この結果からリ
ン濃度と第１の層であるポリシリコン層の厚さとの関係
については非常に直線性が良く、従ってポリシリコン層
の厚さをコントロールすることによりリン濃度をコント
ロールできることがわかる。

【００３５】ここで上述実施例で得られた薄膜の膜厚の
面内均一性が悪い理由について考察すると、既に（作
用）の項にて述べたように、この場合リンの上にシリコ
ンが付着するときに成膜速度の面内不均一性が起こると
考えられる。即ち膜表面にリンが吸着している場合。モ
ノシランがこのリンにより跳ね返されて付着することが
できず、専らモノシランの気相中の分解反応により生成
されたＳｉＨ_２の付着を介してシリコンが吸着される
が、気相中における分解反応（ＳｉＨ_２の生成反応）の
起こる確率が小さいので、シリコンの吸着速度はＳｉＨ
_２の供給律速となり、このためウエハの周縁部側の成膜
速度が中央部よりも大きくなって、膜厚の面内不均一性
が起こると推察される。このことは例えばジシラン（Ｓ
ｉ_２Ｈ_６）ガスを用いる場合も同様である。

【００３６】このような現象はｉｎ−ｓｉｔｕ法では常
時起こっているが、上述実施例では、リン吸着層を形成
した後ポリシリコン層を形成するときの初期にのみ起こ
るので、膜厚の面内均一性が向上しかつ成膜速度が大き
くなるものと考えられる。従って第１の工程（リン吸着
層を形成する工程）と第２の工程（ポリシリコン層を形
成する工程）との間に、上述の実施例の如く反応管内の
ガスを排気し、モノシランガスとフォスフィンガスとが
混合した状態で成膜が進行することを避けることが望ま
しい。また上述実施例の方法によれば、ノンド−プのポ
リシリコン膜が凹部内においても交互に積層されていく
ため、ステップカバレ−ジの形状についても、図６に示
すようにノンド−プのポリシリコン膜を成膜する場合と
同様に非常に良好であり、凹部ａ内にｖｏｉｄ（空洞
部）は存在しなかった。

【００３７】以上において本発明では、第１の工程にお
いて成膜用ガスとドープ用ガスとを混合して不純物濃度
の低い第１の層を形成するようにしてもよいし、あるい
はまた第２の工程において成膜用ガスとドープ用ガスと
を混合して不純物濃度の高い第２の層を形成するように
してもよい。

【００３８】また本発明では上述のように、第１の工程
と第２の工程との間にガスを排気することが望ましい
が、必ずしも排気を行わなくてもよいし、各工程の時間
は任意に設定することができる。そしてサンドイッチ構
造の積層体を熱処理するにあたっては、アニール処理を
行わなくても、その後に酸化、拡散、ＣＶＤ処理などが
行われる場合には、これら熱処理で代用することができ
る。

【００３９】なお本発明では不純物としてリンに限定さ
れるものではないし、薄膜の主成分についてもシリコン
に限定されるものではない。

【００４０】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、不純物が零ま
たは低濃度の第１の層と、不純物が全部または高濃度の
第２の層とを交互に積層し、その後熱処理して不純物を
ドーピングした薄膜を得ている。従ってドープ用ガスと
成膜用ガスとを同時に供給しながら所定濃度の不純物を
含む薄膜を成長させる場合に比べ、既述したように成膜
速度の面内不均一性の程度を小さく抑えることができる
ので、膜厚の面内均一性の高い薄膜が得られると共に、
良好なステップカバレ−ジ形状を得ることができる。

【００４１】請求項２の発明によれば、第１の層を形成
する工程と第２の層を形成する工程との間に、被処理雰
囲気中のガスを一旦排出するようにしているため、各工
程で用いられるガスの混合を避けることができるので、
膜厚の面内均一性をより一層向上させることができる。

【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】ガス供給のシーケンスの一例を示す説明図であ
る。

【図３】熱処理前の積層体を示す説明図である。

【図４】成膜速度の面間分布を示す特性図である。

【図５】ポリシリコン層の厚さとリン濃度との関係を示
す特性図である。

【図６】本発明方法で得られたステップカバレージ形状
の説明図である。

【図７】従来方法で得られたステップカバレージ形状の
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 リン吸着層

───────────────────────────────────────────────────── 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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不純物をドープした薄膜を被処理体上に
   成膜する方法において、 薄膜の主成分を含む成膜用ガスを被処理雰囲気中に供給
   するか、または成膜用ガスと共に不純物を含むドープ用
   ガスを被処理雰囲気中に供給して、不純物が零または低
   濃度の第１の層を形成する第１の工程と、 ドープ用ガスを被処理雰囲気中に供給するか、またはド
   ープ用ガスと共に成膜用ガスを被処理雰囲気中に供給し
   て不純物のみまたは不純物が高濃度の第２の層を形成す
   る第２の工程と、 を交互に行い、これにより得られた薄膜を熱処理して第
   ２の層の不純物を第１の層内に拡散させることを特徴と
   する成膜方法。
2. 【請求項２】 第１の工程及び第２の工程の間に、第１
   の工程または第２の工程で用いたガスを被処理雰囲気か
   ら排出する工程を含む請求項１記載の成膜方法。