JPH09129626A

JPH09129626A - 薄膜形成方法

Info

Publication number: JPH09129626A
Application number: JP28505195A
Authority: JP
Inventors: Ken Adachi; 研足立
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-11-01
Filing date: 1995-11-01
Publication date: 1997-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】膜質を均一化でき、デバイス特性の安定化を
達成できる薄膜形成方法を提供する。【解決手段】減圧ＣＶＤ装置の反応炉内に基板を載置
させた後、該反応室内に成膜用ガスを導入して所定の薄
膜を形成するに際し、核形成工程とバルク成長工程とを
この順に行う。核をできるだけ緻密に堆積させるため、
核形成工程における反応炉内の圧力と成膜用ガスの流量
との積を、バルク成長工程における反応炉内の圧力と成
膜用ガスの流量との積に対して１．１倍〜３倍とする。
このとき、反応炉内の雰囲気を不安定化させないよう
に、成膜用ガスの滞在時間が大きく変化しないように制
限するとよい。また、核形成工程における成膜用ガス中
の原料ガスの分圧を、バルク成長工程における原料ガス
の分圧に対して１．１倍〜３倍としてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
プロセスにおいて、ポリシリコン、アモルファスシリコ
ン、窒化シリコン等のシリコン系材料よりなる薄膜を膜
質よく形成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、減圧ＣＶＤ（Chemical Vapour
Deposition ）法によって所望の薄膜を成膜するに際し
ては、縦型や横型のバッチ式のＣＶＤ装置、枚葉式のＣ
ＶＤ装置等が用いられている。いずれのＣＶＤ装置を用
いる場合においても、成膜される薄膜の種類に応じて成
膜条件を適正化することが行われている。通常、成膜条
件としては、ウェハ間もしくはウェハ内の膜厚が均一化
できること、さらには、成膜される薄膜の用途に適した
最良の電気的特性が得られることが重要視される。

【０００３】例えば、ポリシリコン膜は、ＭＯＳ（Meta
l Oxide Semiconductor ）トランジスタのゲート電極材
料、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）のビッ
ト線に代表される配線材料、バイポーラトランジスタの
エミッタ領域等の浅い接合形成用の固相拡散源、薄膜ト
ランジスタの活性層等として用いられており、これを成
膜するに際しては、結晶粒のサイズ、結晶方位等を制御
可能な成膜条件が選択される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最適と
思われる成膜条件によって成膜されたポリシリコン膜で
あっても、その表面に激しい凹凸が生じてしまったり、
結晶粒のサイズが著しくばらついてしまい、その膜質が
ウェハ間もしくはウェハ内でばらつき、作製されるデバ
イスの性能や再現性が悪くなることがある。

【０００５】これは、基板表面と、原料ガスとして用い
られるシラン（ＳｉＨ₄）ガスとの分子間力に起因する
ものであると考えられる。例えば、シラン分子は、ポリ
シリコン膜や、表面にＳｉ−Ｈ結合を有する膜に比し
て、ｐ型不純物が拡散されたＳｉ基板や、表面にＳｉ−
Ｃｌ結合を有する膜との吸着を起こしやすいが、逆に、
ｎ型不純物が拡散されたＳｉ基板や、表面にＳｉ−Ｏ結
合を有する安定な絶縁膜との吸着を起こしにくく、これ
に続く分解反応も起こしにくい。

【０００６】このため、例えば図６に示されるように、
表面にＳｉＯ₂膜１１１が形成されたウェハ１０２上に
ポリシリコン膜を成膜しようとすると、成膜初期にＳｉ
の核１１２がまばらに形成され、核１１２が島状に堆積
してしまう。そして、図７に示されるように、この島状
の核１１２を中心に結晶粒１１３が成長することとな
り、最終的に成膜が終了したポリシリコン膜１１４の表
面に激しい凹凸が生じたり、結晶粒１１３のサイズにば
らつきを生じることになる。

【０００７】また、このようなポリシリコン膜に対して
不純物のイオン注入を行ってから再結晶させた場合に
は、上述の形状不均一性をさらに拡大したものとなる。
ポリシリコン膜を再結晶させる場合、この再結晶された
膜における結晶粒のサイズや結晶性、結晶化率といった
結晶状態は、イオン注入により結晶構造が破壊されてい
る領域（以下、破壊領域と称す。）よりも下層側の領域
（以下、未破壊領域と称す。）での結晶状態に依存する
が、上述したように成膜初期から結晶状態が不均一であ
る場合には、この不均一な結晶状態の影響を受けて、再
結晶された膜の結晶状態が一層ばらついてしまうことと
なるのである。

【０００８】なお、未破壊領域の結晶状態を一様にして
おけば、破壊領域のポリシリコンを再結晶しても均一な
膜質とすることができるはずであるが、実際の成膜にお
いては、バルク部分の成膜特性が重視されるために、成
膜初期のポリシリコン膜の結晶状態については、配慮が
なされていないのが現状である。

【０００９】また、ポリシリコン膜の成膜時に同時に不
純物を導入する場合にも、その後の不純物の活性化のた
めの熱処理工程において、上述した場合と同様に、結晶
粒のサイズや結晶性、結晶化率といった結晶状態にばら
つきが生じてしまう。

【００１０】以上のように、成膜初期に成膜されたポリ
シリコン膜の結晶状態が不均一であると、ポリシリコン
膜全体の結晶状態も不均一となるため、これに伴ってポ
リシリコン膜の電気特性も不均一となってしまう。

【００１１】また、成膜初期に成膜されたポリシリコン
膜の結晶状態が不均一であると、ピンホールの発生頻度
が高くなり、これによって、耐圧が低下したり、ポリシ
リコン膜の加工時の下地への影響が無視できなくなると
いう問題も生じる。

【００１２】そして、このような膜質が不均一な薄膜を
デバイスに適用すれば、デバイス特性にも大きなばらつ
きが生じ、半導体デバイス全体の性能や品位を落とすこ
とにもつながる。

【００１３】そこで、本発明は、従来の係る実情を鑑み
て提案されたものであって、膜質を均一化でき、デバイ
ス特性の安定化を達成できる薄膜形成方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
達成するために提案されたものであり、減圧ＣＶＤ装置
の反応炉内に基板を載置させた後、該反応室内に成膜用
ガスを導入して所定の薄膜を形成するに際し、核形成工
程とバルク成長工程とをこの順に行うものである。

【００１５】即ち、本発明は、初期に成膜された薄膜の
結晶状態を均一化することによって薄膜全体の結晶状態
の均一化を図るため、成膜の最も初期に起こる核形成時
の成膜条件に着目するものである。

【００１６】核形成は、基板の材料の影響を受けやすい
が、成膜条件を適正化することで制御可能である。核形
成時からバルク成長用の成膜条件を適用すると、核を基
板上に均一に発生させることが難しく、核が島状に堆積
してしまうのに対し、核形成時の成膜条件を適正化すれ
ば、核を基板上に均一に発生させることができ、一様に
核を堆積させることができるようになる。なお、核形成
工程での堆積量は、２ｎｍ未満でよく、核が十分に密に
形成されていれば、数原子層分（１ｎｍ程度）でよい。

【００１７】核をできるだけ緻密に堆積させるために
は、成膜用ガスのガス密度を増加させ、該成膜用ガス中
の原料ガスと基板との付着係数を増すことが有効であ
る。これは、反応炉内の圧力を上げること、成膜用ガス
の流量を増加させること等によって実現できるが、反応
炉内の圧力と成膜用ガスの流量との積、即ち、（反応炉
内の圧力）×（成膜用ガスの流量）を増加させることに
よって実現する方が好ましい。

【００１８】具体的には、反応路内の温度が通常の成膜
温度に設定されている状態で、核形成工程における反応
炉内の圧力と成膜用ガスの流量との積が、バルク成長工
程における反応炉内の圧力と成膜用ガスの流量との積に
対して１．１倍〜３倍となされて好適である。なお、こ
の積が１．１倍未満であると、原料ガスと基板との付着
係数を増す効果が殆どなく、逆に、この積が３倍より大
きいと、核形成の反応が表面反応から気相反応に移行し
て、成膜特性が劣化する。また、気相中で生成した核が
パーティクルの原因となる虞れもある。

【００１９】なお、核形成工程とバルク成長工程との切
換えに際して、反応炉内の圧力や成膜用ガスの流量を任
意に変化させてしまうと、反応炉内の雰囲気が安定化す
るまでに一定時間を要することとなる。このため、反応
炉内の圧力と成膜用ガスの流量との積を変化させて核形
成工程とバルク成長工程との切換えを行う場合には、反
応炉内の雰囲気を不安定化させないように、成膜用ガス
の滞在時間が大きく変化しないように制限することが好
ましい。

【００２０】ここで、「成膜用ガスの滞在時間」とは、
下記の式（１）にて示されるものであり、成膜用ガスの滞在時間＝（反応炉内の圧力×反応炉の容量）／（成膜用ガスの流量）・・・（１）「反応炉の容量」は装置固有の定数である。このため、
実質的には、（反応炉内の圧力）／（成膜用ガスの流
量）を大きく変化させないように制限することとなる。

【００２１】具体的には、核形成工程における成膜用ガ
スの滞在時間が、バルク成長工程における成膜用ガスの
滞在時間に対して１．０倍〜０．８倍となされて好適で
ある。成膜用ガスの滞在時間を上述の範囲に制限しない
と、反応炉内の圧力と成膜用ガスの流量との積を上述し
た範囲内で変化させたときに、反応炉内の雰囲気が不安
定となりやすい。

【００２２】また、成膜用ガスを構成する原料ガスと希
釈ガスとの流量をそれぞれ独立して制御できれば、核形
成工程とバルク成長工程との切換えを、反応炉内に導入
する成膜用ガス中の原料ガスの分圧を制御することによ
って行ってもよい。これにより、反応炉内の圧力や成膜
用ガス全体としての流量を変化させることなく、原料ガ
スの流量のみを増加させることができるため、核形成工
程とバルク成長工程との切換えを行うに際して、反応炉
内の雰囲気が不安定となることが防止される。即ち、雰
囲気を安定化させるためのインターバルが不要となり、
プロセスの不安定要素を排除することができる。具体的
には、核形成工程における成膜用ガス中の原料ガスの分
圧を、バルク成長工程における原料ガスの分圧に対して
１．１倍〜３倍として好適である。核形成工程における
原料ガスの分圧が、バルク成長工程における原料ガスの
分圧に対して１．１倍未満であると、原料ガスと基板と
の付着係数を増す効果が殆どなく、逆に、３倍より大き
いと、核形成の反応が表面反応から気相反応に移行し
て、成膜特性が劣化する。

【００２３】本発明に係る薄膜形成方法は、ポリシリコ
ン膜を形成するに際して適用されて好適である。従来の
ポリシリコン膜は、核形成工程での成膜条件が配慮され
ていなかったために、バルク部分における膜の結晶状態
がばらついていたが、本発明を適用すれば、核形成工程
において核が均一に形成されるため、バルク成長工程に
おいて、上述の核から均一に結晶を成長させることがで
き、結晶粒のサイズや結晶性、結晶化率といった結晶状
態が均一化されたポリシリコン膜を形成することができ
るようになる。

【００２４】そして、このようなポリシリコン膜に対し
て不純物のイオン注入を行ってから再結晶させることに
よってドープドポリシリコン膜を形成する場合において
も、イオン注入により結晶構造が破壊された領域よりも
下層側の未破壊領域の膜の結晶状態が均一であることか
ら、再結晶時には、この未破壊領域の結晶状態の影響を
受けて、均一な結晶が形成されるようになる。

【００２５】ドープドポリシリコン膜は、リンＰや硼素
Ｂといった所望の不純物を含むガス（以下、ドーパント
ガスと称す。）を成膜用ガスに添加して、成膜と同時に
不純物を導入することによっても得られるが、この場合
も、本発明をそのまま適用できる。

【００２６】また、核形成工程とバルク成長工程とで、
反応炉内の圧力と成膜用ガスの流量との積や、成膜用ガ
ス中の原料ガスの分圧を変化させる以外に、ドーパント
ガスの流量を変化させることも考えられる。しかし、不
純物を導入しながら核形成を行う場合には、核を均一に
形成することが困難となるため、核形成工程では、ドー
パントガスの導入を行わず、バルク成長工程にて、所定
量のドーパントガスを成膜用ガスに添加して好適であ
る。

【００２７】また、本発明は、アモルファスシリコン
膜、ドープドアモルファスシリコン膜を形成するに際し
ても適用できる。この場合、バルク成長工程にて結晶を
成長させることはないが、これらの膜のバルク成長は、
核が形成された基板の表面状態を反映しながら進むこと
となるため、本発明を適用することにより、膜質が均一
で表面も平滑な膜を形成することが可能となる。さら
に、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）膜を形成するに際して
本発明を適用してもよい。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る薄膜形成方法
の実施の形態の一例について、図面を参照しながら説明
する。

【００２９】ここでは、具体的なプロセスの説明するに
先んじて、このプロセスに用いたバッチ式減圧ＣＶＤ装
置の構成について説明する。

【００３０】このバッチ式減圧ＣＶＤ装置は、図１に示
されるように、縦型の反応炉１を有し、この反応炉１
は、ウェハ２が収容されたボート３が挿入される内芯管
４と、該内芯管４よりを取り囲む外芯管５とからなる。
なお、内芯管４は、その頂部が外芯管５の内部で開口さ
れ、これによって、内芯管４と外芯管の間隙にガス流路
が形成されている。

【００３１】この反応炉１には、成膜用ガスを内芯管４
内に供給するためのガス供給管６が設けられている。な
お、このガス供給管６には、原料ガスや希釈ガス等、成
膜用ガスに含まれる複数のガスの供給源にそれぞれバル
ブを介して接続されており、各ガスは、それぞれその流
量が調整されてガス供給管６に導入されるようになされ
ている。

【００３２】また、反応炉１には、真空ポンプに接続さ
れ、内芯管４と外芯管５の間の空間から排気を行うため
の排気口７が設けられている。さらに、反応炉１の周囲
にはヒータ８が配され、該反応炉１内の温度を制御可能
としている。

【００３３】第１の実施の形態以下、上述のようなバッチ式減圧ＣＶＤ装置を用い、核
形成工程とバルク成長工程とで成膜条件を異ならせて、
所望の薄膜を形成する例について説明する。

【００３４】図２に、ウェハ２をＣＶＤ装置に搬入して
から搬出するまでの工程シーケンスを示す。具体的に
は、先ず、ウェハ２を収容したボート３を反応炉１の内
芯管４内に挿入し、ヒータ８によって反応炉１内を所望
の温度に加熱しておくと共に、排気口７より真空引きを
行い、続いて、ガス供給管６からＮ₂ガスを導入して反
応炉１内をパージする。その後、再び排気口７より真空
引きを行って、所望の圧力にまで反応炉１内を減圧し、
リークチェックを行って、リークがないことを確認す
る。

【００３５】次いで、排気口７からの排気量を調整しな
がら、ガス供給管６から成膜用ガスを所定の流量にて導
入し、反応炉１内の圧力を安定化する。このとき、反応
炉１内の圧力と成膜用ガスの流量との積は、後に行われ
るバルク成長工程における反応炉内の圧力と成膜用ガス
の流量との積に対して１．１倍〜３倍となるように設定
される。また、成膜用ガスの滞在時間は、後に行われる
バルク成長工程における滞在時間に対して１．０倍〜
０．８倍となるように設定される。

【００３６】このようにして、反応炉１内の雰囲気が所
定の条件に達すると、成膜用ガスに含まれる原料ガスが
熱によって分解反応を起こし、これによって、所望の化
学種が生成し、ウェハ２表面にて核形成の反応が起こっ
て、ウェハ２表面に核が一様に堆積する。なお、副生成
物や未反応の成膜用ガスは排気口７より排出される。

【００３７】そして、ウェハ２上に核を２ｎｍ程度堆積
させたら、核形成工程からバルク成長工程へ移行させる
ために、ガス供給管６から導入する成膜用ガスを所定の
流量まで低減させ、反応炉１内を所定の圧力まで低減さ
せる。このとき、反応炉１内の圧力と成膜用ガスの流量
との積は、先に行われた核形成工程における反応炉内の
圧力と成膜用ガスの流量との積に対して１／１．１倍〜
１／３倍となされる。また、成膜用ガスの滞在時間は、
先に行われた核形成工程における滞在時間に対して１．
０倍〜１／０．８倍となされる。

【００３８】このように反応炉１内の圧力と成膜用ガス
の流量とを異ならせると、反応炉１内の雰囲気が安定化
するまでに多少の時間を必要とするが、反応炉１内の雰
囲気が所定の条件に変化することにより、バルク成長が
始まる。

【００３９】但し、ここでは、核形成工程における成膜
用ガスの滞在時間が、バルク成長工程における滞在時間
に対して１．０倍〜０．８倍となるように制限している
ため、反応炉１内の圧力と成膜用ガスの流量とを任意に
変化させる場合に比して、雰囲気の安定化に要する時間
を短縮できる。

【００４０】そして、このようなバルク成長工程によっ
て、ウェハ２上に所定の厚さの薄膜を形成したら、成膜
用ガスの供給を停止し、真空引き、Ｎ₂ガスによるパー
ジを行った後、反応炉１内を復圧して、ボート３を該反
応炉１から引き出して、一連の薄膜形成プロセスを終了
する。

【００４１】第２の実施の形態ここでは、核形成工程からバルク成長工程への切換えに
際して、反応炉１内の雰囲気を安定化させるための時間
を殆ど要することなく、所望の薄膜を形成する例につい
て説明する。

【００４２】図３に、ウェハ２をＣＶＤ装置に搬入して
から搬出するまでの工程シーケンスを示す。具体的に
は、ウェハ２を収容したボート３を反応炉１の内芯管４
内に挿入してから、リークチェックを行うまでは、第１
の実施の形成と同様に行い、ガス供給管６から成膜用ガ
スを所定の流量にて導入し、反応炉１内の圧力を安定化
する。このとき、反応炉１内の圧力、成膜用ガスの流量
は、後に行われるバルク成長工程における圧力、流量と
均しいが、成膜用ガス中の原料ガスの分圧は、後に行わ
れるバルク成長工程における分圧に対して１．１倍〜
３．０倍となるように設定される。

【００４３】このようにして、反応炉１内の雰囲気が所
定の条件に達すると、成膜用ガスに含まれる原料ガスか
ら所望の化学種が生成し、ウェハ２表面にて核形成の反
応が起こって、ウェハ２表面に核が一様に堆積する。

【００４４】そして、ウェハ２上に核を２ｎｍ程度堆積
させたら、核形成工程からバルク成長工程へ移行させる
ために、反応炉１内の圧力、成膜用ガスの流量を一定に
保ったまま、成膜用ガス中の原料ガスの分圧を低減させ
る。このとき、成膜用ガス中の原料ガスの分圧は、先に
行われた核形成工程における分圧に対して１／１．１倍
〜１／３倍となされる。なお、反応炉１内の圧力、成膜
用ガスの流量は一定に保たれているため、成膜用ガスの
滞在時間は、先に行われた核形成工程における滞在時間
に等しい。

【００４５】このように成膜用ガス中の原料ガスの分圧
のみを変化させると、反応炉１内の圧力や成膜用ガスの
流量が変化していないため、反応炉１内の雰囲気が安定
化するまでに時間がかからない。即ち、本実施の形態を
適用すると、第１の実施の形態を適用する場合よりも、
雰囲気の安定化に要する時間分だけ、時間を短縮でき
る。

【００４６】そして、このようなバルク成長工程によっ
て、ウェハ２上に所定の厚さの薄膜を形成したら、成膜
用ガスの供給を停止し、真空引き、Ｎ₂ガスによるパー
ジを行った後、反応炉１内を復圧して、ボート３を該反
応炉１から引き出して、一連の薄膜形成プロセスを終了
する。

【００４７】

【実施例】ここでは、上述の実施の形態に係る薄膜形成
方法を適用して、実際にポリシリコン膜の成膜を行った
例について説明する。

【００４８】実施例１本実施例においては、第１の実施の形態を適用した。

【００４９】具体的には、全面に亘ってＳｉＯ₂膜が形
成されてなるウェハ２を用意し、図２に示されるよう
に、このウェハ２を収容したボート３を反応炉１の内芯
管４内に挿入した後、該反応炉１に対して、真空引き、
Ｎ₂ガスパージ、真空引き、リークチェックを行った。

【００５０】次いで、核形成工程を行うために、反応炉
１内を下記の雰囲気に調整した。

【００５１】成膜用ガス：流量７００ｓｃｃｍ（ＳｉＨ₄ガス流量１４０ｓｃｃｍ）（Ｈｅガス流量５６０ｓｃｃｍ）圧力：３５Ｐａ温度：６２０℃ 反応炉１内の雰囲気が上述の条件に達すると、ＳｉＨ₄
ガスが熱によって分解反応を起こし、図４に示されるよ
うに、ウェハ２表面にて、核形成の反応が起こって、Ｓ
ｉＯ₂膜１１上にＳｉの核１２が一様に堆積した。

【００５２】このようにして核１２が２ｎｍ程度堆積し
たところで、核形成工程からバルク成長工程へ移行させ
るために、反応炉１内を下記の雰囲気に調整した。

【００５３】成膜用ガス：流量６００ｓｃｃｍ（ＳｉＨ₄ガス流量１２０ｓｃｃｍ）（Ｈｅガス流量４８０ｓｃｃｍ）圧力：３０Ｐａ温度：６２０℃ そして、反応炉１内の雰囲気が上述の条件に変化する
と、バルク成長が始まり、図５に示されるように、一様
に堆積した核１２を中心に結晶粒１３が成長して、ポリ
シリコン膜１４が形成された。

【００５４】なお、このようなバルク成長工程によっ
て、ウェハ２上に所定の厚さのポリシリコン膜１４を形
成したら、成膜用ガスの供給を停止し、真空引き、Ｎ₂
ガスパージ、復圧の工程を経て、ボート３を該反応炉１
から引き出した。

【００５５】以上のようにして形成されたポリシリコン
膜１４は、表面が平滑で、結晶粒のサイズや結晶性、結
晶化率といった結晶状態も均一であった。

【００５６】これは、ポリシリコン膜１４の成膜初期段
階、即ち、核形成工程に、成膜用ガスのガス密度を増加
させ、該成膜用ガス中のＳｉＨ₄ガスとＳｉＯ₂膜１１
との付着係数を増すことによって、核１２を緻密に堆積
させることができたためである。

【００５７】具体的には、バルク成長工程における反応
炉１内の圧力と成膜用ガスの流量との積が１８０００で
あるのに対して、核形成工程における反応炉１内の圧力
と成膜用ガスの流量との積が２４５００となされたよう
に、バルク成長工程の１．３６倍に設定されため、Ｓｉ
Ｈ₄ガスとＳｉＯ₂膜１１との付着係数を増すことがで
きた。なお、核形成工程における上記積が大きすぎる
と、核形成の反応が表面反応から気相反応に移行して成
膜特性が劣化するが、ここでは、このような問題が生じ
ることもなかった。

【００５８】なお、本実施例において、核形成工程にお
ける成膜用ガスの滞在時間は、反応炉１内の容積をｋと
すると、０．０５ｋであり、バルク成長工程における成
膜用ガスの滞在時間と同じである。このため、核形成工
程とバルク成長工程との切換えに際して、反応炉１内の
圧力や成膜用ガスの流量を任意に変化させてしまう場合
に比して、反応炉１内の雰囲気の安定化が容易であっ
た。

【００５９】ここで、以上のようにして形成されたポリ
シリコン膜１４に対してイオン注入を行って不純物を導
入した後、再結晶を行ったところ、ポリシリコン膜１４
における結晶粒のサイズや結晶性、結晶化率といった結
晶状態は、ウェハ内およびウェハ間で均一化されてい
た。これは、イオン注入により破壊された結晶よりも下
層側の未破壊の結晶が均一に形成されていたため、再結
晶時には、この未破壊部分の結晶状態の影響を受けて、
均一な結晶が形成されたからである。

【００６０】実施例２本実施例においては、第２の実施の形態を適用した。

【００６１】具体的には、全面に亘ってＳｉＯ₂膜が形
成されてなるウェハ２を用意し、図３に示されるよう
に、このウェハ２を収容したボート３を反応炉１の内芯
管４内に挿入した後、該反応炉１に対して、真空引き、
Ｎ₂ガスパージ、真空引き、リークチェックを行った。

【００６２】次いで、核形成工程を行うために、反応炉
１内を下記の雰囲気に調整した。

【００６３】成膜用ガス：流量６００ｓｃｃｍ（ＳｉＨ₄ガス流量２４０ｓｃｃｍ）（Ｈｅガス流量３６０ｓｃｃｍ）圧力：３０Ｐａ温度：６２０℃ 反応炉１内の雰囲気が上述の条件に達すると、ＳｉＨ₄
ガスが熱によって分解反応を起こし、図４に示されるよ
うに、ウェハ２表面にて、核形成の反応が起こって、Ｓ
ｉＯ₂膜１１上にＳｉの核１２が一様に堆積した。

【００６４】このようにして核１２が２ｎｍ程度堆積し
たところで、核形成工程からバルク成長工程へ移行させ
るために、ガス供給管６へ導入する成膜用ガス全体の流
量を６００ｓｃｃｍに保ったまま、ＳｉＨ₄ガスおよび
Ｈｅガスの流量をそれぞれ変化させ、ＳｉＨ₄ガスの分
圧を低下させた。反応炉１内の雰囲気は下記に示される
とおりである。

【００６５】成膜用ガス：流量６００ｓｃｃｍ（ＳｉＨ₄ガス流量１２０ｓｃｃｍ）（Ｈｅガス流量４８０ｓｃｃｍ）圧力：３０Ｐａ温度：６２０℃ そして、反応炉１内の雰囲気が上述の条件に変化する
と、バルク成長が始まり、図５に示されるように、一様
に堆積した核１２を中心に結晶粒１３が成長して、ポリ
シリコン膜１４が形成された。

【００６６】なお、このようなバルク成長工程によっ
て、ウェハ２上に所定の厚さのポリシリコン膜１４を形
成したら、成膜用ガスの供給を停止し、真空引き、Ｎ₂
ガスパージ、復圧の工程を経て、ボート３を該反応炉１
から引き出した。

【００６７】以上のようにして形成されたポリシリコン
膜１４は、表面が平滑で、結晶粒のサイズや結晶性、結
晶化率といった結晶状態も均一であった。

【００６８】これは、ポリシリコン膜１４の成膜初期段
階、即ち、核形成工程に、成膜用ガスのガス密度を増加
させ、該成膜用ガス中のＳｉＨ₄ガスとＳｉＯ₂膜１１
との付着係数を増すことによって、核１２を緻密に堆積
させることができたためである。

【００６９】具体的には、バルク成長工程におけるＳｉ
Ｈ₄ガスの分圧が６Ｐａであるのに対して、核形成工程
におけるＳｉＨ₄ガスの分圧が１２Ｐａとなされたよう
に、バルク成長工程の２倍に設定されたため、ＳｉＨ₄
ガス中の原料ガスとＳｉＯ₂膜１１との付着係数を増す
ことができた。なお、核形成工程におけるＳｉＨ₄ガス
の分圧が大きすぎると、核形成の反応が表面反応から気
相反応に移行して成膜特性が劣化するが、ここでは、こ
のような問題が生じることもなかった。

【００７０】なお、本実施例においては、反応炉１の圧
力および成膜用ガスの流量が、核形成工程においても、
バルク成長工程においても等しいため、成膜用ガスの滞
在時間も等しくなっている。

【００７１】本実施例を適用して、核形成工程における
ＳｉＨ₄ガスの分圧を高めることができれば、核形成工
程とバルク成長工程とで反応炉１の圧力および成膜用ガ
ス全体の流量を変化させる必要がないため、核形成工程
からバルク成長工程への切換えに際して、反応炉１内の
雰囲気を安定に保つことができ、特に安定化のための時
間を要しない。

【００７２】なお、以上のようにして形成されたポリシ
リコン膜１４に対してイオン注入を行って不純物を導入
した後、再結晶を行っても、ポリシリコン膜１４におけ
る結晶粒のサイズや結晶性、結晶化率といった結晶状態
は、ウェハ内およびウェハ間で均一化されていた。

【００７３】実施例３本実施例では、第２の実施の形態を適用して薄膜形成を
行うに際し、同時に不純物を導入することによって、ド
ープドポリシリコン膜を形成した。

【００７４】具体的には、全面に亘ってＳｉＯ₂膜が形
成されてなるウェハ２を用意し、図３に示されるよう
に、このウェハ２を収容したボート３を反応炉１の内芯
管４内に挿入した後、該反応炉１に対して、真空引き、
Ｎ₂ガスパージ、真空引き、リークチェックを行った。

【００７５】次いで、核形成工程を行うために、反応炉
１内を下記の雰囲気に調整した。

【００７６】成膜用ガス：流量６００ｓｃｃｍ（ＳｉＨ₄ガス流量２４０ｓｃｃｍ）（Ｈｅガス流量３６０ｓｃｃｍ）圧力：３０Ｐａ温度：６２０℃ 反応炉１内の雰囲気が上述の条件に達すると、ＳｉＨ₄
ガスが熱によって分解反応を起こし、図４に示されるよ
うに、ウェハ２表面にて、核形成の反応が起こって、Ｓ
ｉＯ₂膜１１上にＳｉの核１２が一様に堆積した。

【００７７】このようにして核１２が２ｎｍ程度堆積し
たところで、核形成工程からバルク成長工程へ移行させ
るため、ガス供給管６へ導入する成膜用ガス全体の流量
を６００ｓｃｃｍに保ったまま、ＳｉＨ₄ガスおよびＨ
ｅガスの流量をそれぞれ変化させ、ＳｉＨ₄ガスの分圧
を低下させるとともに、ドーパントガスを添加した。具
体的には、反応炉１内を下記の雰囲気に調整した。

【００７８】成膜用ガス：流量６００ｓｃｃｍ（ＳｉＨ₄ガス流量１２０ｓｃｃｍ）（Ｈｅガス流量４８０ｓｃｃｍ）ドーパントガス：ＰＨ₃ガス流量１０ｓｃｃｍ圧力：３０Ｐａ温度：６２０℃ そして、反応炉１内の雰囲気が上述の条件に変化する
と、バルク成長が始まり、図５に示されるように、一様
に堆積した核１２を中心に、Ｐを含む結晶粒２３が成長
して、ドープドポリシリコン膜２４が形成された。

【００７９】なお、このようなバルク成長工程によっ
て、ウェハ２上に所定の厚さのドープドポリシリコン膜
２４を形成したら、成膜用ガスおよびドーパントガスの
供給を停止し、真空引き、Ｎ₂ガスパージ、復圧の工程
を経て、ボート３を該反応炉１から引き出した。

【００８０】以上のようにして形成されたドープドポリ
シリコン膜２４は、表面が平滑で、結晶粒のサイズや結
晶性、結晶化率といった結晶状態も均一であった。

【００８１】これは、核形成工程において、核１２を一
様に均一に堆積させることができたため、この核１２を
中心としたバルク成長工程において、不純物を取り込み
ながらであっても、結晶成長を均一に行うことができた
からである。

【００８２】以上、本発明に係る薄膜形成方法について
説明したが、本発明は上述した実施の形態および実施例
に限定されるものではないことは言うまでもない。

【００８３】例えば、図１に示されるバッチ式減圧ＣＶ
Ｄ装置においては、反応炉１の前段に、図示しないロー
ドロック室が接続されていてもよい。また、ウェハ２を
収納するボートが回転可能となされてもよい。さらに、
反応炉１が横型のバッチ式減圧ＣＶＤ装置を用いてもよ
いし、バッチ式に代わって枚葉式の減圧ＣＶＤ装置を用
いてもよい。

【００８４】また、第１の実施の形態においては、核形
成工程とバルク成長工程とで、成膜用ガスの滞在時間の
変化を小さく抑えつつ、反応炉１の圧力および成膜用ガ
スの流量を変化させた。しかし、反応炉１の圧力および
成膜用ガスの流量の変化に伴って、成膜用ガスの滞在時
間も変化してしまう場合においても、反応炉１の圧力と
成膜用ガスの流量との積が本発明で規定する範囲内であ
る限り、核形成工程からバルク成長工程への切換えに際
して、雰囲気を安定化させるための時間を多めに設ける
ことによって、結晶状態が均一な薄膜を形成することが
可能である。

【００８５】さらに、実施例３においては、第２の実施
の形態を適用してドープドポリシリコン膜を形成した
が、第１の実施の形態を適用してドープドポリシリコン
膜を形成してもよい。また、ポリシリコン膜に導入する
不純物はＰに限られず、Ｂ等であってもよく、この場
合、ドーパントガスとしてＢ₂Ｈ₆ガス等が使用でき
る。

【００８６】その他、実施例１〜３においては、ポリシ
リコン膜、ドープドポリシリコン膜を形成する例を示し
たが、アモルファスシリコン膜、ドープドアモルファス
シリコン膜、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）膜を形成する
に際して本発明を適用してもよい。

【００８７】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、核形
成工程の成膜条件を適正化して、核を緻密に均一に形成
することができると、バルク成長も均一に行うことがで
きる。このため、本発明を適用して形成された薄膜は、
表面が平滑で、膜質も均一化されたものとなる。

【００８８】したがって、この薄膜をデバイスに適用す
れば、デバイス特性の安定化にも貢献することとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る薄膜形成方法にて使用される減圧
ＣＶＤ装置の一例を示す模式図である。

【図２】本発明を適用した薄膜形成シーケンスを示す模
式図である。

【図３】本発明を適用した薄膜形成シーケンスを示す模
式図である。

【図４】本発明を適用してウェハに核を形成している状
態を示す模式的断面図である。

【図５】図４に示される核を中心として結晶粒が成長し
ている状態を示す模式的断面図である。

【図６】従来法による薄膜形成において、ウェハに核が
形成された状態を示す模式的断面図である。

【図７】図６に示される核を中心として結晶粒が成長し
ている状態を示す模式的断面図である。

【符号の説明】

１反応炉２ウェハ３ボート６ガス供給口７排気口１１ＳｉＯ₂膜１２核１３結晶粒１４ポリシリコン膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】減圧ＣＶＤ装置の反応炉内に基板を載置
させた後、該反応室内に成膜用ガスを導入して所定の薄
膜を形成するに際し、核形成工程とバルク成長工程とをこの順に行うことを特
徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】前記核形成工程における反応炉内の圧力
と成膜用ガスの流量との積が、前記バルク成長工程にお
ける反応炉内の圧力と成膜用ガスの流量との積に対して
１．１倍〜３倍となされることを特徴とする請求項１記
載の薄膜形成方法。
【請求項３】前記核形成工程における成膜用ガスの滞
在時間が、前記バルク成長工程における成膜用ガスの滞
在時間に対して１．０倍〜０．８倍となされることを特
徴とする請求項２記載の薄膜形成方法。
【請求項４】前記核形成工程における成膜用ガス中の
原料ガスの分圧が、前記バルク成長工程における該原料
ガスの分圧に対して１．１倍〜３倍となされることを特
徴とする請求項１記載の薄膜形成方法。
【請求項５】前記薄膜として、ポリシリコン膜を形成
することを特徴とする請求項１記載の薄膜形成方法。
【請求項６】前記成膜用ガスには、前記薄膜内に不純
物を供給するガスが添加されていることを特徴とする請
求項５記載の薄膜形成方法。