JPH07153770A

JPH07153770A - 成膜方法

Info

Publication number: JPH07153770A
Application number: JP32989293A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Haraoka; 務原岡; Harunori Ushigawa; 治憲牛川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Tokyo Electron Tohoku Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Tokyo Electron Tohoku Ltd
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1995-06-16

Abstract

(57)【要約】【目的】表面積が大きく、大きなキャパシタ容量で例
えばＤＲＡＭのスタック用電極に好適なポリシリコン膜
をバッチ処理により得る方法を提供すること。【構成】ウエハ上にアモルファスシリコン膜を生成し
た後所定のパターンにエッチングする。その後ウエハを
縦型熱処理装置内にロードする。ロード後に不活性ガス
や還元性ガスなどによりウエハ表面の自然酸化膜を除去
抑制し、その後反応管内を１０^-6Ｔｏｒｒオーダの圧力
に設定し、例えば６００℃まで昇温する。この昇温過程
の途中でアモルファスシリコン膜がポリ化し、大きなグ
レンサイズで良好な凹凸形状を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は成膜方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memo
ry) のスタック用電極であるポリシリコン（多結晶シリ
コン）膜は、セルサイズの縮小化により大きなキャパシ
タ容量を確保しなければならない。薄膜のキャパシタ容
量を大きくするためには膜厚を小さくすればよいが、薄
膜化には限界があり、このためポリシリコン膜に凹凸を
形成して表面面積を稼ぐ工夫が検討されている。

【０００３】そこで従来では例えば縦型熱処理炉を用い
てウエハ表面にポリシリコン膜を形成し、その後例えば
枚葉式エッチング装置によりポリシリコン膜を所定のパ
ターンでエッチングすると共にポリシリコン膜の側壁を
エッチングして、側壁に凹部を形成し更にこの成膜−エ
ッチングのプロセスを繰り返して凹凸形状を得るように
している。

【０００４】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながらＤＲ
ＡＭは今後増々高集積化してより一層セルサイズが縮小
することから、キャパシタ容量を今まで以上に大きくす
る必要があるが、従来の手法ではこうした要求に十分対
応できる程度の表面積を得ることができず、ＤＲＡＭの
高集積化を阻む一因となっていた。

【０００５】本発明は、このような事情のもとになされ
たものであり、その目的は表面積の大きなポリシリコン
膜を得ることができ、しかも量産に適した成膜方法を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、被処
理体の表面に非晶質シリコン膜を形成する工程と、前記
非晶質シリコン膜をエッチングする工程と、その後多数
の前記被処理体を被処理体保持具に搭載して、反応管内
に搬入する工程と、次いで反応管内に不活性ガスまたは
還元性ガスを供給して被処理体の表面処理を行う工程
と、次に反応管内の圧力を１０^-6Ｔｏｒｒ以下の圧力に
設定し、非晶質シリコン膜の成膜温度から６００℃まで
の温度範囲でアニールして非晶質シリコン膜を多結晶化
する工程と、を含むことを特徴とする。

【０００７】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、アニールする工程が、反応管内の圧力を１０^-6Ｔｏ
ｒｒ以下の圧力に設定する代りに、不活性ガスまたは還
元性ガスの雰囲気下で行われることを特徴とする。

【０００８】請求項３の発明は、請求項１、または２の
発明において、表面処理ガスが、不活性ガス、還元性ガ
スまたはフッ化水素酸ガスであることを特徴とする。

【０００９】請求項４の発明は、請求項１、２または３
の発明において、反応管内の温度を非晶質シリコン膜の
成膜温度以下に設定して、被処理体を反応管内に搬入す
ることを特徴とする。

【００１０】請求項５の発明は、請求項１、２、３また
は４の発明において、被処理体を被処理体保持具に受け
渡し、この被処理体保持具を反応管内に搬入する搬入室
を不活性ガス雰囲気とすることを特徴とする。

【００１１】

【作用】被処理体を反応管内に搬入後に、反応管内を不
活性ガス雰囲気とすることにより被処理体の表面に付着
している自然酸化膜が除去され、自然酸化膜の生成が抑
制される。あるいは還元性ガスの還元作用、またはフッ
化水素酸ガスの酸化作用により前記自然酸化膜が除去さ
れ、その生成が抑制される。こうして非晶質シリコン膜
の表面を清浄状態に保ったまま上述の如く高真空雰囲気
であるいは不活性ガスまたは還元性ガスの雰囲気でアニ
ールすることにより、非晶質シリコン膜が多結晶化す
る。ここで上述の温度範囲でアニールが行われるため、
結晶が大きなサイズで成長し、その上面、側面に凹凸が
形成される。この場合請求項３のようにして被処理体を
搬入することにより結晶生成時における自然酸化膜の成
長をより一層抑制することができる。また反応管内に被
処理体を搬入する領域を不活性ガス雰囲気とすることに
より、非晶質シリコン膜の凹凸化を一層図ることができ
る。

【００１２】

【実施例】本発明方法の一実施例を図１の工程図を参照
しながら説明すると、先ずシリコン基板１の表面にアモ
ルファスシリコン（非晶質シリコン）膜１１を形成す
る。この工程では、例えば縦型熱処理炉を用い例えばモ
ノシラン（ＳｉＨ₄）ガスやジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）ガ
スを処理ガスとして、約５１０℃の温度で成膜処理を行
い、膜厚が例えば１０００オングストロームのアモルフ
ァスシリコン膜１１を得る（図１（ａ））。

【００１３】次いでこのウエハに所定のパターンでマス
クを形成した後例えば枚葉式のエッチング装置によりエ
ッチング処理を行い、図１（ｂ）に示すように所定のパ
ターンのアモルファスシリコン膜を得る。その後このウ
エハを例えばフッ酸で洗浄し、縦型熱処理炉を用いて前
記アモルファスシリコン膜１１をアニールしてポリ化
（多結晶化）し、ポリシリコン（多結晶シリコン）膜１
２を得る（図１（ｃ））。

【００１４】ここで上述の工程のうちアニールによりア
モルファスシリコン膜をポリ化する工程は、本発明の効
果を得る上で最も重要な工程であり、この工程に関して
装置構成と共に詳述する。図２は上述のアニールを行う
ために用いられる装置の一例の全体構成を示す図であ
り、図３はその装置の封止構造部分を示す説明図であ
る。図２中２は、例えば石英で作られた内管２ａ及び外
管２ｂよりなる二重管構造の反応管であり、この反応管
２の周囲にはこれを取り囲むようにヒータ２０が設けら
れると共に、反応管２の下部側には金属製のマニホール
ド３が設けられている。

【００１５】前記内管２ａはマニホールド３の内方側に
て支持されると共に、外管２ｂの下端のフランジ部２１
とマニホールド３の上端のフランジ部３１とは、内方側
及び外方側に位置する二重のガスケット例えばバイトン
のＯリング４１、４２を介して気密に接合されている。
これらＯリング４１、４２の間の空間は、吸引管５に３
通し、図示しない真空ポンプにより吸引管５を介して真
空排気され、これによりＯリング４１、４２のシール効
果を高めている。

【００１６】図４はこの封止構造部分の具体的構成の一
例であり、フランジ部３１側の溝５１、５２に夫々Ｏリ
ング４１、４２を装着すると共に、断面Ｌ字形の押え具
５３により耐熱性スペーサ５４、５５を介してボルト５
６により両者のフランジ部２１、３１を締付固定してい
る。このような封止構造とすることにより気密の漏洩速
度１０^-6Ｔｏｒｒ・リットル／ｓｅｃとなる。このよう
な気密能力は、反応管２内をある圧力に設定し、圧力の
時間的変化を測定することにより求められている。なお
封止構造としては二重Ｏリング構造に限られるものでは
なく、例えば図５に示すように、フランジ部２１、３１
（他のフランジ部も同様）間にアルミニウムよりなる断
面がナイフエッジ状のリング体よりなるナイフエッジシ
ール５７を介在させた構造であってもよい。

【００１７】前記マニホールド３は、外管２ｂのフラン
ジ部２１の上面に接合しているベースプレート３２に固
定されており、マニホールド３には、処理ガスを内管２
ａの内方側に供給するためのガス供給管３３が突入して
設けられている。更に前記マニホールド３には、各々、
内管２ａの外方側の空間に開口する、例えば夫々内径８
３．１ｍｍ及び内径１５１ｍｍの排気管６１、６２が接
続されており、一方の排気管６１はバルブＶ１を介して
ドライポンプ６３に接続されると共に他方の排気管６２
は、バルブＶ２、例えば１０^-9Ｔｏｒｒの真空排気能力
のあるターボ分子ポンプ６４及びバルブＶ３を介してド
ライポンプ６３に接続されている。

【００１８】前記反応管２内には、多数枚例えば１００
枚のウエハＷが各々水平な状態で上下に間隔をおいて保
持具であるウエハボート２２に載置されており、このウ
エハボート２２は蓋体２３の上に保温筒２４を介して保
持されている。前記蓋体２３は、ウエハボート２２を反
応管２内に搬入、搬出するための昇降台２５の上に搭載
されており、上限位置にあるときにはマニホールド３の
下端開口部、即ち反応管１とマニホールド３とで構成さ
れる容器の下端開口部を閉塞する役割をもつものであ
る。蓋体２３とマニホールド３の下端のフランジ部３４
との間にも、図２に示すように２重のＯリング４１、４
２が介装されていて、上述と同様の封止構造が採用され
ている。

【００１９】次に上述の装置を用いて行われる、エッチ
ング後の工程について図６を参照ながら述べる。先ず反
応管２内の温度を例えば約３５０℃に設定し、例えば１
００枚の被処理体であるウエハＷをウエハボート２２に
載せて、昇降台２５を上昇させることにより反応管２内
に下端開口部より搬入し、反応管２内を気密状態にす
る。

【００２０】その後反応管２内に不活性ガス例えばＡｒ
（アルゴン）ガスを毎分１〜１０リットルの流量で供給
しながら反応管２内の圧力をドライポンプ６３により
０．１〜１０Ｔｏｒｒ例えば１Ｔｏｒｒに制御し、この
状態で１０分間維持し、これによりウエハの表面に既に
生成されている自然酸化膜を除去すると共に、反応管内
に存在する水分などによる自然酸化膜の生成を抑制す
る。

【００２１】続いてＡｒガスの供給を止め、ターボ分子
ポンプ６４により反応管２内を１×１０^-6Ｔｏｒｒの圧
力まで減圧した後反応管２内を例えば２〜３℃／分の昇
温速度で６００℃まで昇温する。この昇温過程におい
て、アモルファス膜が多結晶化し、結晶が成長して表面
が凹凸化する。その後例えば６００℃に１０分間維持下
後、反応管２内を例えばＡｒガスにより大気圧まで復帰
させ、ウエハボートを搬出する。

【００２２】このようなアニール工程によれば、ウエハ
のローディング（反応管２内への搬入）後アニールの処
理温度まで昇温する過程では不活性ガス雰囲気としてい
るため、既にアモルファス膜の表面に形成されている自
然酸化膜を物理的衝突により除去することができると共
に、反応管内の水分などにより形成される自然酸化膜の
成長を抑制することができる。また６００℃以下で結晶
を成長させることにより大きなグレンサイズで結晶化し
たポリシリコン膜の表面が露出するので、ポリシリコン
膜の上面及び側面に良好な凹凸が形成されて大きな表面
積を確保でき、従って大きなキャパシタ容量のスタック
用電極を得ることができる。なお上述の昇温過程で高真
空排気をおこなってもよいが、少なくとも結晶成長が起
こるときには上述の真空度に達していることが必要であ
る。

【００２３】ここでアニールは１０^-5Ｔｏｒｒよりも低
い圧力つまり１０^-6Ｔｏｒｒオーダの圧力下で行うこと
が必要であり、この圧力よりも高いと外部から侵入する
大気中の酸素の分圧が大きくなり、凹凸化した表面が自
然酸化膜で覆われるので大きな表面積を確保することが
できない。そして反応管２内をこのような圧力雰囲気と
するためには、気密の漏洩速度が１０^-5Ｔｏｒｒ・リッ
トル／ｓｅｃよりも小さい、つまり１０^-6Ｔｏｒｒ・リ
ットル／ｓｅｃオーダ以下であることが望ましく、真空
排気手段としては１０^-6Ｔｏｒｒよりも低い圧力までつ
まり１０^-7Ｔｏｒｒのオーダまで真空排気できる能力を
備えたものを用いることが望ましい。

【００２４】更にアニール工程（結晶成長工程）の温度
はアモルファス膜を成膜したときの温度例えば５１０℃
〜６００℃であることが必要であり、この温度よりも低
いとアモルファスシリコン膜がポリ化しないし、また６
００℃以上で結晶成長させると、ポリシリコンのグレン
サイズが小さくなり十分な凹凸形状が得られないが、５
９０℃以下で結晶成長を行うことがより好ましい。

【００２５】なお上述実施例の効果は、ＴＥＭによりポ
リシリコン膜の表面を観察することにより確認した。ま
た上述の実施例において、ローディング後不活性ガス雰
囲気とする代わりに還元性ガス例えば水素ガスや、フッ
化水素酸ガス（ＨＦ）などの表面処理ガスを用いてもよ
い。水素ガスを用いる場合には、例えば流量を毎分１〜
１０リットル、圧力を０．１〜５０Ｔｏｒｒの条件で表
面処理が行われ、フッ化水素酸ガスを用いる場合には、
エゼクタポンプを用いて、例えばＮ₂ガスで希釈し含有
割合が（ＨＦ／ＨＦ＋Ｎ₂）０．４％いかになるように
して表面を損傷させないようにしながら表面処理を行え
ばよい。

【００２６】更に本発明では、図７に示すようにローデ
ィング後アニール終了まで表面処理ガスの雰囲気例えば
窒素ガス雰囲気のままにしておいても、同様の効果が得
られる。

【００２７】そして本発明では、図８に示すように反応
管２の下方側に位置する、ウエハの搬入室３４（ただし
この搬入室３４はウエハの搬出室でもある。）を気密構
造にし、この中に不活性ガス例えばＮ₂ガスをパージし
てロードロック室として構成することが望ましい。図８
中３５は、外部との間を開閉するゲートドアである。

【００２８】その理由については、反応管２の下端を開
いているときに大気中の水分が反応管２内に侵入し、ま
たウエハボート２２が石英で構成されている場合には、
石英は水分を吸着しやすいので搬入室３４に待機してい
る間にウエハボート２２に付着する水分量が多くなって
これが反応管２内に持ち込まれるため、これら水分によ
りウエハＷの表面の自然酸化膜の成長が促進されると考
えられるからである。

【００２９】実際にウエハボート２２が下限位置（図８
の位置）に置かれている時間が３０分の場合と６時間の
場合とについて、ウエハ搬入後の反応管２内の水分の分
圧を調べたところ、後者の方が高かった。このようなこ
とから搬入室３４を不活性ガス雰囲気とすれば、反応管
２の開放時間の長さが自然酸化膜の成長に及ぼす影響が
小さくなるので、還元処理の管理をし易いという利点が
ある。ただし本発明では搬入室３４をこのようなロード
ロック室とすることに限定されるものではない。

【００３０】次に本発明を実施するための好適な縦型熱
処理装置について図９〜図１１を参照しながら説明す
る。図１の装置の説明との重複を避けるために要部につ
いてのみ記述すると、反応管２の周囲に設けられた加熱
部８は、例えば図１０及び図１１に示すように断熱体８
１の内周面に、抵抗発熱線８２を上下に繰り返し屈曲さ
れながら周方向に沿って設けた加熱ブロックを複数段配
列して構成される。抵抗発熱線８２としては例えばニケ
イ化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）を用いることができ、こ
れによれば反応管２内を５０〜１００℃／分の高速な速
度で昇温させることができる。なお蓋体２３には回転機
構８３が配設され、その回転軸上のターンテーブル８４
には保温筒８５を介して保持具であるウエハボート８６
が搭載されている。

【００３１】前記ウエハボート８６は、図１１に示すよ
うに例えば周方向に４本配置された石英製の支柱８７に
熱容量の大きな材質例えば石英製のリング状の載置台８
８を例えば３０枚上下に間隔を置いて配列して構成さ
れ、各リング状の載置台８８には、ウエハＷがその周縁
部が当該載置台８８に接触して保持された状態で載置さ
れている。前記リング状の載置台８８は、加熱部８から
の熱線がウエハＷの周縁に輻射されないように、周縁部
がウエハＷの表面よりも若干高く作られると共に、厚さ
が内周側より外周側の方が大きくなるように構成されて
いる。

【００３２】前記加熱部８の下端部と反応管２との間に
は、シャッタ８９を介して装置の外部に開口するかある
いは送気ファン９０に連通する吸気管９１が例えば反応
管１の周方向に４ヶ所形成されており、この吸気管９１
の先端にはノズル９２が設けられている。更に加熱部８
の上面には、排気ダクト９３に連通する排気口９４が形
成されており、この排気ダクト９３には、排気口９４を
開閉するために支軸９５を支点として回動するシャッタ
９６、熱交換器９７及び排気ファン９８が上流側よりこ
の順に設けられている。これら吸気管９１や排気ダクト
９３は、ウエハＷに対して成膜が終了した後に、反応管
２内を強制冷却するための強制冷却手段を構成するもの
である。

【００３３】このような装置では、成膜処理後、加熱部
８のスイッチをオフにし、強制冷却手段のシャッタ８９
及び９６を開くと共に送気ファン９０及び排気ファン９
８を作動させ、これにより吸気管９１のノズル９２から
排気口９４へ向けて加熱部８の内周面に沿って急速に空
気を通流させ、反応管２内を冷却する。

【００３４】従ってこのような装置によれば、反応管内
の昇温及び降温を高速に行うことができるため、被処理
体のローディング時に巻き込んだ不純物あるいはその後
に侵入した極めて微量な水分などの不純物が高温領域に
滞在する時間が、通常の熱処理炉に比べて短くなるた
め、自然酸化膜の成長が抑制される。また反応管内の自
然酸化膜の急速な成長を抑えることができる温度以下に
急速に冷却しているため、熱処理後のウエハ表面におけ
る自然酸化膜の成長が抑制される。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、表面積の
大きなポリシリコン膜をバッチ処理により得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の一実施例の工程を示す説明図であ
る。

【図２】本発明方法を実施するための縦型熱処理装置の
一例を示す断面図である。

【図３】縦型熱処理装置の封止構造の一例を模式的に示
す説明図である。

【図４】縦型熱処理装置の封止構造の具体的構造例を示
す断面図である。

【図５】縦型熱処理装置の封止構造の他の例の一部を示
す断面図である。

【図６】本発明のプロセスの一例に係る工程と温度との
関係を示す説明図である。

【図７】本発明のプロセスの他の例に係る工程と温度と
の関係を示す説明図である。

【図８】本発明方法を実施するための縦型熱処理装置の
他の例を示す断面図である。

【図９】本発明方法を実施するための縦型熱処理装置の
更に他の例を示す断面図である。

【図１０】図９に示した縦型熱処理装置の加熱部を示す
斜視図である。

【図１１】図９に示した縦型熱処理装置のウエハボート
を示す拡大図である。

【符号の説明】

１シリコン基板１１アモルファスシリコン膜１２ポリシリコン膜２反応管２１、３１、３４フランジ部２２ウエハボート２３蓋体３マニホールド３３ガス供給管６１、６２排気管７２自然酸化膜３４搬入室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者牛川治憲神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番41 号東京エレクトロン東北株式会社相模事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理体の表面に非晶質シリコン膜を形
成する工程と、前記非晶質シリコン膜をエッチングする工程と、その後多数の前記被処理体を被処理体保持具に搭載し
て、反応管内に搬入する工程と、次いで反応管内に表面処理ガスを供給して被処理体の表
面処理を行う工程と、次に反応管内の圧力を１０^-6Ｔｏｒｒ以下の圧力に設定
し、非晶質シリコン膜の成膜温度から６００℃までの温
度範囲でアニールして非晶質シリコン膜を多結晶化する
工程と、を含むことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】アニールする工程は、反応管内の圧力を
１０^-6Ｔｏｒｒ以下の圧力に設定する代りに、表面処理
ガス雰囲気下で行われることを特徴とする請求項１記載
の成膜方法。
【請求項３】前記表面処理ガスは、不活性ガス、還元
性ガスまたはフッ化水素酸ガスであることを特徴とする
請求項１または２記載の成膜方法。
【請求項４】反応管内の温度を非晶質シリコン膜の成
膜温度以下に設定して、被処理体を反応管内に搬入する
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の成膜方
法。
【請求項５】被処理体を被処理体保持具に受け渡し、
この被処理体保持具を反応管内に搬入する搬入室を不活
性ガス雰囲気とすることを特徴とする請求項１、２、３
または４記載の成膜方法。