KR20120059593A - 결정성 규소막의 성막 방법 및 플라즈마 ｃｖｄ 장치 - Google Patents

결정성 규소막의 성막 방법 및 플라즈마 ｃｖｄ 장치 Download PDF

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마사유키 고노
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

플라즈마 CVD법에 의해 양질인 결정성 규소막을 높은 성막 레이트로 성막하는 방법을 제공한다. 복수의 홀을 가지는 평면 안테나에 의해 처리 용기 내로 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 CVD 장치를 이용하고, 식 SinH2n ＋2 (여기서, n은 2 이상의 수를 의미함)로 나타나는 규소 화합물을 포함하는 성막 가스를 상기 마이크로파에 의해 여기하여 플라즈마를 생성시키고, 상기 플라즈마를 이용하여 플라즈마 CVD를 행함으로써 피처리체의 표면에 결정성 규소막을 퇴적시킨다.

Description

결정성 규소막의 성막 방법 및 플라즈마 ＣＶＤ 장치{METHOD FOR FORMING CRYSTALLINE SILICON FILM AND PLASMA CVD DEVICE}
본 발명은, 결정성 규소막의 성막 방법 및 플라즈마 CVD 장치에 관한 것이다.
결정성 규소는 고농도 도핑이 가능한 물질이며, 예를 들면 다이오드 등의 반도체 소자에 널리 사용되고 있다. 결정성 규소막의 제조에는, 열CVD법 또는 고주파로 여기한 플라즈마를 이용하는 플라즈마 CVD법이 이용되고 있다. 열CVD법, 플라즈마 CVD법 모두 현재 상태에서는 성막되는 결정성 규소 박막의 결함을 억제한다는 관점으로부터, 공업적으로는 원료 가스로서 모노실란(SiH4) 이외는 사용되고 있지 않다.
플라즈마 CVD에서 성막 레이트를 크게 하기 위해서는, 원료 가스인 SiH4의 시간당의 유량을 크게 하는 것이 효과적이다. 그러나, 시간당의 SiH4의 유량을 크게 하면, 성막되는 결정성 규소막의 결정화도가 저하되어 막질이 열화되는 것이 알려져 있다. 이 때문에, 플라즈마 CVD에서 양질인 막질의 결정성 규소막을 단시간에 성막 하는 것은 곤란하여, 공업적인 규모로 결정성 규소막을 대량으로 생산함에 있어서의 애로가 되고 있었다.
본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 플라즈마 CVD법에 의해 양질인 결정성 규소막을 높은 성막 레이트로 성막하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 결정성 규소막의 성막 방법은, 복수의 홀을 가지는 평면 안테나에 의해 처리 용기 내로 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 CVD 장치를 이용하고, 식 SinH2n ＋2(여기서, n은 2 이상의 수를 의미함)로 나타나는 규소 화합물을 포함하는 성막 가스를 상기 마이크로파에 의해 여기하여 플라즈마를 생성시키고, 상기 플라즈마를 이용하여 플라즈마 CVD를 행함으로써 피처리체의 표면에 결정성 규소막을 퇴적시킨다.
본 발명의 결정성 규소막의 성막 방법은, 상기 규소 화합물이 디실란 또는 트리실란인 것이 바람직하다.
본 발명의 결정성 규소막의 성막 방법은, 상기 성막 가스가 희가스를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 결정성 규소막의 성막 방법은, 상기 성막 가스가 수소 가스를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 결정성 규소막의 성막 방법은, 상기 성막 가스의 전체 유량에 대한 상기 규소 화합물의 체적 유량 비율이 0.5 % ~ 10 %의 범위 내인 것이 바람직하다.
본 발명의 결정성 규소막의 성막 방법은, 상기 처리 용기 내의 압력을 0.1 Pa 이상 10.6 Pa 이하의 범위 내로 설정하여 상기 플라즈마 CVD를 행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 결정성 규소막의 성막 방법은, 처리 온도를 250℃ 이상 600℃ 이하로 행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 결정성 규소막의 성막 방법은, 상기 마이크로파의 파워 밀도가 피처리체의 면적당 0.25 W/cm2 이상 2.56 W/cm2 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
본 발명의 결정성 규소막의 성막 방법은, 상기 플라즈마 CVD 동안 피처리체를 재치(載置)하는 재치대에 매설된 전극에 고주파 전력을 인가함으로써, 피처리체에 바이어스 전압을 인가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 플라즈마 CVD 장치는, 플라즈마 CVD법에 의해 피처리체 상에 결정성 규소막을 형성하는 플라즈마 CVD 장치로서,
피처리체를 수용하는 상부가 개구된 처리 용기와,
상기 처리 용기 내에 배치되고, 피처리체를 재치하는 재치대와,
상기 처리 용기의 상기 개구를 막는 유전체 부재와,
상기 유전체 부재의 상부에 설치되고, 상기 처리 용기 내로 마이크로파를 도입하기 위한 복수의 홀을 가지는 평면 안테나와,
상기 처리 용기 내로 성막 가스를 도입하는 가스 도입부와,
상기 처리 용기 내를 감압 배기하는 배기 장치와,
상기 처리 용기 내로 상기 가스 도입부를 거쳐 도입한 식 SinH2n ＋2(여기서, n은 2 이상의 수를 의미함)로 나타나는 규소 화합물을 포함하는 성막 가스를, 상기 평면 안테나를 거쳐 도입한 상기 마이크로파에 의해 여기하여 플라즈마를 생성시키고, 상기 플라즈마를 이용하여 플라즈마 CVD를 행하여 피처리체의 표면에 결정성 규소막을 퇴적시키는 결정성 규소막의 성막 방법이 행해지도록 제어하는 제어부를 구비하고 있다. 이 플라즈마 CVD 장치는, 상기 재치대 내에 매설된 전극과, 상기 전극에 접속하는 고주파 전원을 더 구비하고, 상기 제어부는, 상기 플라즈마 CVD 동안 상기 전극에 고주파 전력을 인가함으로써, 피처리체에 바이어스 전압을 인가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 결정성 규소막의 성막 방법에 의하면, 복수의 홀을 가지는 평면 안테나에 의해 처리 용기 내로 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 CVD 장치를 이용하고, 식 SinH2n ＋2(여기서, n은 2 이상의 수를 의미함)로 나타나는 규소 화합물을 포함하는 성막 가스를 이용하여 플라즈마 CVD를 행함으로써, 결정화도를 저하시키지 않고 높은 성막 레이트로 결정성 규소막을 성막할 수 있다.
또한 본 발명 방법은, 600℃ 이하의 저온에서 결정성 규소막을 성막할 수 있기 때문에 서멀 버짓을 저감시킬 수 있고, 또한 성막의 과정에서 도펀트의 확산을 발생시키지 않으므로 반도체 제조 프로세스에서 유용하다.
도 1은 결정성 규소막의 형성에 적합한 플라즈마 CVD 장치의 일례를 도시한 개략 단면도이다.
도 2는 평면 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 제어부의 구성을 도시한 설명도이다.
도 4는 폴리 실리콘막의 성막 레이트와 성막 가스 유량의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 폴리 실리콘막의 결정화도와 성막 가스 유량의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 폴리 실리콘막의 결정 배향성과 성막 가스 유량의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 폴리 실리콘막의 결정 배향성과 성막 압력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 폴리 실리콘막의 결정 배향성과 성막 온도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 폴리 실리콘막의 결정 배향성과 마이크로파 파워의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10은 크로스 포인트형의 메모리 셀 어레이의 구성을 도시한 모식도이다.
도 11은 도 10의 메모리 셀 어레이의 주요부 단면도이다.
도 12는 다이오드의 제조 공정을 설명하는 도면이다.
도 13은 도 12에 이어지는 공정을 설명하는 도면이다.
도 14는 도 13에 이어지는 공정을 설명하는 도면이다.
도 15는 pin 다이오드가 되는 폴리 실리콘막이 적층하여 성막된 상태를 설명하는 도면이다.
이하에, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은, 본 발명의 결정성 규소막의 제조 방법에 이용 가능한 플라즈마 CVD 장치(100)의 개략 구성을 모식적으로 도시한 단면도이다.
플라즈마 CVD 장치(100)는, 복수의 슬롯 형상의 홀을 가지는 평면 안테나, 특히 RLSA(Radial Line Slot Antenna : 래디얼 라인 슬롯 안테나)로 처리 용기 내로 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시킴으로써, 고밀도 또한 저전자 온도의 마이크로파 여기 플라즈마를 발생시킬 수 있는 RLSA 마이크로파 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있다. 플라즈마 CVD 장치(100)에서는, 1 × 1010 ~ 5 × 1012/cm3의 플라즈마 밀도로, 또한 0.7 ~ 2 eV의 저전자 온도를 가지는 플라즈마에 의한 처리가 가능하다. 따라서, 플라즈마 CVD 장치(100)는 각종 반도체 장치의 제조 과정에서 플라즈마 CVD에 의해 결정성 규소막으로서의 폴리 실리콘막을 성막 처리하는 목적으로 적절히 이용할 수 있다.
플라즈마 CVD 장치(100)는 주요한 구성으로서, 기밀하게 구성된 처리 용기(1)와, 처리 용기(1) 내로 가스를 공급하는 가스 공급 장치(18)와, 이 가스 공급 장치(18)에 접속하는 가스 도입부(14)와, 처리 용기(1) 내를 감압 배기하기 위한 배기 장치(24)와, 처리 용기(1)의 상부에 설치되고, 처리 용기(1) 내로 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 장치(27)와, 이들 플라즈마 CVD 장치(100)의 각 구성부를 제어하는 제어부(50)를 구비하고 있다. 또한 가스 공급 장치(18)는, 플라즈마 CVD 장치(100)의 구성 부분에는 포함되지 않고, 외부의 가스 공급 장치를 가스 도입부(14)에 접속하여 사용하는 구성으로 해도 된다.
처리 용기(1)는 접지된 대략 원통 형상의 용기에 의해 형성되어 있고, 상부가 개구되어 있다. 또한, 처리 용기(1)는 각기둥 형상의 용기에 의해 형성되어도 된다. 처리 용기(1)는, 알루미늄 등의 재질로 이루어지는 저벽(1a)과 측벽(1b)을 가지고 있다.
처리 용기(1)의 내부에는, 피처리체인 실리콘 웨이퍼(이하, 단순히 ‘웨이퍼’라고 기술함)(W)를 수평으로 지지하기 위한 재치대(2)가 설치되어 있다. 재치대(2)는, 열전도성이 높은 재질 예를 들면 AlN 등의 세라믹에 의해 구성되어 있다. 이 재치대(2)는, 배기실(11)의 저부 중앙으로부터 상방으로 연장되는 원통 형상의 지지 부재(3)에 의해 지지되고, 저부에 고정되어 있다. 지지 부재(3)는, 예를 들면 AlN 등의 세라믹에 의해 구성되어 있다.
또한, 재치대(2)에는 그 외연부를 커버하고 웨이퍼(W)를 가이드하기 위한 커버 링(4)이 설치되어 있다. 이 커버 링(4)은, 예를 들면 석영, AlN, Al2O3, SiN 등의 재질로 구성된 환상(環狀) 부재이다. 재치대(2)의 보호의 관점으로부터, 커버 링(4)은 재치대(2)의 전체 표면을 덮도록 해도 된다.
또한, 재치대(2)에는 온도 조절 기구로서의 저항 가열형의 히터(5)가 매설되어 있다. 이 히터(5)는, 히터 전원(5a)으로부터 급전됨으로써 재치대(2)를 가열하여, 그 열로 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 균일하게 가열한다.
또한, 재치대(2)에는 열전대(TC)(6)가 배치되어 있다. 이 열전대(6)에 의해 온도 계측을 행함으로써, 웨이퍼(W)의 가열 온도를 예를 들면 실온으로부터 900℃까지의 범위에서 제어 가능하게 되어 있다.
또한, 재치대(2)에는 웨이퍼(W)를 지지하여 승강시키기 위한 웨이퍼 지지 핀(도시하지 않음)을 가지고 있다. 각 웨이퍼 지지 핀은, 재치대(2)의 표면에 대하여 돌출 및 함몰 가능하게 설치되어 있다.
또한, 재치대(2)의 표면측에는 전극(7)이 매설되어 있다. 이 전극(7)은, 히터(5)와 재치대(2)의 표면의 사이에 배치되어 있다. 이 전극(7)에, 급전선(7a)에 의해 매칭 박스(M.B.)(8)를 개재하여 바이어스 인가용의 고주파 전원(9)이 접속되어 있다. 전극(7)에 고주파 전원(9)으로부터 고주파 전력을 공급하여, 기판인 웨이퍼(W)에 고주파 바이어스(RF 바이어스)를 인가할 수 있는 구성으로 되어 있다. 즉, 전극(7), 급전선(7a), 매칭 박스(M.B.)(8) 및 고주파 전원(9)은, 바이어스 인가 수단을 구성하고 있다. 전극(7)의 재질로서는, 재치대(2)의 재질인 AlN 등의 세라믹과 동등한 열팽창 계수를 가지는 재질이 바람직하고, 예를 들면 몰리브덴, 텅스텐 등의 도전성 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 전극(7)은, 예를 들면 망목(網目) 형상, 격자 형상, 소용돌이 형상 등의 형상으로 형성되어 있다. 전극(7)의 사이즈는, 적어도 웨이퍼(W)와 동등하거나 그보다 약간 크게(예를 들면, 웨이퍼(W)의 직경보다 1 ~ 5 mm 정도 크게) 형성하는 것이 바람직하다.
처리 용기(1)의 저벽(1a)의 대략 중앙부에는 원형의 개구부(10)가 형성되어 있다. 저벽(1a)에는 이 개구부(10)와 연통하고, 하방을 향해 돌출하는 배기실(11)이 설치되어 있다. 이 배기실(11)에는 배기관(12)이 접속되어 있고, 이 배기관(12)을 개재하여 배기 장치(24)에 접속되어 있다.
처리 용기(1)를 형성하는 측벽(1b)의 상단에는, 처리 용기(1)를 개폐시키는 덮개체(리드)로서의 기능을 가지는 환상의 플레이트(13)가 배치되어 있다. 플레이트(13)의 내주 하부는 내측(처리 용기 내 공간)을 향해 돌출되고, 환상의 지지부(13a)를 형성하고 있다.
처리 용기(1)의 상방에는, 처리 가스를 도입하는 가스 도입부(14)가 설치되어 있다. 플레이트(13)에는, 제 1 가스 도입홀을 가지는 제 1 가스 도입부(14a)가 설치되어 있다. 또한, 처리 용기(1)의 측벽(1b)에는 제 2 가스 도입홀을 가지는 제 2 가스 도입부(14b)가 설치되어 있다. 즉, 제 1 가스 도입부(14a) 및 제 2 가스 도입부(14b)는 상하 2 단으로 설치되어, 가스 도입부(14)를 구성하고 있다. 제 1 가스 도입부(14a) 및 제 2 가스 도입부(14b)는 성막 가스 또는 플라즈마 여기용 가스를 공급하는 가스 공급 장치(18)에 접속되어 있다. 또한, 제 1 가스 도입부(14a) 및 제 2 가스 도입부(14b)는 노즐 형상 또는 샤워 헤드 형상으로 설치해도 된다. 또한, 제 1 가스 도입부(14a)와 제 2 가스 도입부(14b)를 단일의 샤워 헤드로 설치해도 된다. 또한, 제 1 가스 도입부(14a)와 제 2 가스 도입부(14b)를 모두 처리 용기(1)의 측벽(1b)에 설치해도 된다.
또한, 처리 용기(1)의 측벽(1b)에는 플라즈마 CVD 장치(100)와, 이에 인접하는 반송실(도시하지 않음)의 사이에서 웨이퍼(W)의 반입출을 행하기 위한 반입출구(16)와, 이 반입출구(16)를 개폐하는 게이트 밸브(17)가 설치되어 있다.
가스 공급 장치(18)는 성막 가스 등을 처리 용기(1) 내로 공급하는 것이며, 불활성 가스 공급원(19a), 수소 가스 공급원(19b), 규소 화합물을 함유하는 규소 화합물 가스(Si 화합물 가스) 공급원(19c), 도펀트 가스 공급원(19d) 및 수소 가스 공급원(19e)을 가지고 있다. 불활성 가스 공급원(19a) 및 수소 가스 공급원(19b)은, 가스 라인(20a, 20b) 및 가스 라인(20f)을 개재하여 제 1 가스 도입부(14a)에 접속되어 있다. 또한, 규소 화합물 가스 공급원(19c), 도펀트 가스 공급원(19d) 및 수소 가스 공급원(19e)은, 가스 라인(20c, 20d, 20e) 및 가스 라인(20g)을 개재하여, 제 2 가스 도입부(14b)에 접속되어 있다. 또한 가스 공급 장치(18)는, 상기 이외의 도시하지 않은 가스 공급원으로서, 예를 들면 처리 용기(1) 내를 클리닝하는 클리닝 가스 공급원, 또는 처리 용기(1) 내의 분위기를 치환할 때 이용하는 퍼지 가스 공급원 등을 별도로 가지고 있어도 좋다.
본 발명에서는, 성막 원료인 규소 화합물 가스로서, 분자 중에 포함되는 규소 원자의 수가 2 이상인 규소 화합물의 가스, 보다 구체적으로는 식 SinH2n ＋2 (여기서, n은 2 이상의 수를 의미함)로 나타나는 규소 화합물의 가스를 이용한다. 이 규소 화합물은, 규소 원자와 수소 원자로 이루어지는 화합물인 것이 바람직하고, 예를 들면 디실란(Si2H6), 트리실란(Si3H8) 등을 이용할 수 있다. 이들은 2 종류 이상을 조합하여 사용해도 된다.
또한 성막 가스로서는, 규소 화합물 가스 외에 불활성 가스, 수소 가스, 도펀트 가스 등을 이용할 수 있다. 불활성 가스와 수소 가스는, 처리 용기(1) 내에서 생성하는 플라즈마를 안정적으로 형성시키는 기능을 하는 플라즈마 형성용의 가스이기 때문에, 이들을 성막 가스 중에 혼합하는 것이 바람직하다.
불활성 가스로서는, 예를 들면 희가스를 이용할 수 있다. 희가스는, 플라즈마 여기용 가스로서 안정적인 플라즈마의 생성에 도움되는 것이며, 예를 들면 Ar 가스, Kr 가스, Xe 가스, He 가스 등을 이용할 수 있다.
도펀트 가스로서는, n형 폴리 실리콘막을 성막할 경우에는 PH3, AsH3 등, p형 폴리 실리콘막을 성막할 경우에는 B2H6 등을 예시할 수 있다.
불활성 가스 및 수소 가스는, 가스 공급 장치(18)의 불활성 가스 공급원(19a) 및 수소 가스 공급원(19b)으로부터, 가스 라인(20a, 20b)을 거쳐 가스 라인(20f)에 합류한 다음 제 1 가스 도입부(14a)에 도달하고, 제 1 가스 도입부(14a)로부터 처리 용기(1) 내로 도입된다. 한편, 규소 화합물 가스, 도펀트 가스 및 수소 가스는, 규소 화합물 가스 공급원(19c), 도펀트 가스 공급원(19d) 및 수소 가스 공급원(19e)으로부터, 각각 가스 라인(20c, 20d, 20e)을 거쳐 가스 라인(20g)에 합류한 다음 제 2 가스 도입부(14b)에 도달하고, 제 2 가스 도입부(14b)로부터 처리 용기(1) 내로 도입된다. 각 가스 공급원에 접속하는 각각의 가스 라인(20a ~ 20e)에는, 매스 플로우 콘트롤러(21a ~ 21e) 및 그 전후의 개폐 밸브(22a ~ 22e)가 설치되어 있다. 이러한 가스 공급 장치(18)의 구성에 의해, 공급되는 가스의 전환 및 유량 등의 제어를 할 수 있도록 되어 있다. 또한, Ar 등의 플라즈마 여기용의 불활성 가스 및 수소 가스는 임의의 가스이며, 반드시 성막 가스와 동시에 공급할 필요는 없다.
배기 장치(24)는, 터보 분자 펌프 등의 고속 진공 펌프를 구비하고 있다. 상기한 바와 같이 배기 장치(24)는, 배기관(12)을 개재하여 처리 용기(1)의 배기실(11)에 접속되어 있다. 이 배기 장치(24)를 작동시킴으로써, 처리 용기(1) 내의 가스는 배기실(11) 내의 공간(11a)에 균일하게 흐르고, 또한 공간(11a)으로부터 배기관(12)을 거쳐 외부로 배기된다. 이에 의해, 처리 용기(1) 내를 예를 들면 0.133 Pa까지 고속으로 감압하는 것이 가능하게 되어 있다.
이어서, 마이크로파 도입 장치(27)의 구성에 대하여 설명한다. 마이크로파 도입 장치(27)는, 주요한 구성으로서 투과판(28), 평면 안테나(31), 지파재(33), 커버 부재(34), 도파관(37) 및 마이크로파 발생 장치(39)를 구비하고 있다. 마이크로파 도입 장치(27)는, 처리 용기(1) 내로 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성 수단이다.
유전체 부재로서의 투과판(28)은, 플레이트(13)에서 내주측으로 돌출된 지지부(13a) 상에 배치되어 있다. 투과판(28)은 마이크로파를 투과하는 유전체, 예를 들면 석영 또는 Al2O3, AlN 등의 세라믹으로 구성되어 있다. 특히 플라즈마 CVD 장치로서 이용할 경우, Al2O3, AlN 등의 세라믹이 바람직하다. 이 투과판(28)과 지지부(13a)의 사이에는, 씰 부재(29)를 개재하여 기밀하게 씰링되어 있다. 따라서, 처리 용기(1)의 상부의 개구는 플레이트(13)를 개재하여 투과판(28)에 의해 막아져, 처리 용기(1) 내가 기밀하게 유지된다.
평면 안테나(31)는, 투과판(28)의 상방에서 재치대(2)와 대향하도록 설치되어 있다. 평면 안테나(31)는 원판 형상을 이루고 있다. 또한, 평면 안테나(31)의 형상은 원판 형상에 한정되지 않고, 예를 들면 사각판 형상이어도 된다. 이 평면 안테나(31)는 플레이트(13)의 상단에 계지되어 있다.
평면 안테나(31)는, 예를 들면 표면이 금 또는 은 도금된 구리판, 니켈판, SUS판 또는 알루미늄판으로 구성되어 있다. 평면 안테나(31)는, 마이크로파를 방사하는 다수의 슬롯 형상의 마이크로파 방사홀(32)을 가지고 있다. 마이크로파 방사홀(32)은, 소정의 패턴으로 평면 안테나(31)를 관통하여 형성되어 있다.
개개의 마이크로파 방사홀(32)은, 예를 들면 도 2에 도시한 바와 같이 좁고 긴 직사각형 형상(슬롯 형상)을 이루고, 인접하는 2 개의 마이크로파 방사홀이 쌍을 이루고 있다. 그리고, 전형적으로는 인접하는 마이크로파 방사홀(32)이 ‘L’ 자 형상으로 배치되어 있다. 또한, 이와 같이 소정의 형상(예를 들면 L 자 형상)으로 조합되어 배치된 마이크로파 방사홀(32)은, 또한 전체적으로 동심원 형상으로 배치되어 있다.
마이크로파 방사홀(32)의 길이 및 배열 간격은, 마이크로파의 파장(λg)에 따라 결정된다. 예를 들면, 마이크로파 방사홀(32)의 간격은 λg / 4부터 λg가 되도록 배치된다. 도 2에서는, 동심원 형상으로 형성된 인접하는 마이크로파 방사홀(32) 끼리의 간격을 Δr로 나타내고 있다. 또한 마이크로파 방사홀(32)의 형상은, 원형 형상, 원호 형상 등의 다른 형상이어도 된다. 또한, 마이크로파 방사홀(32)의 배치 형태는 특별히 한정되지 않고, 동심원 형상 외에 예를 들면, 나선 형상, 방사 형상 등으로 배치할 수도 있다.
평면 안테나(31)의 상면에는 진공보다 큰 유전율, 예를 들면 석영, Al2O3, AlN, 수지 등을 가지는 지파재(33)가 설치되어 있다. 이 지파재(33)는, 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어진다는 점에서, 마이크로파의 파장을 짧게하여 플라즈마를 조정하는 기능을 가지고 있다.
또한, 평면 안테나(31)와 투과판(28) 간, 또한 지파재(33)와 평면 안테나(31) 간은 각각 접촉시켜도 이간시켜도 좋지만, 접촉시키는 것이 바람직하다.
플레이트(13)의 상부에는, 이들 평면 안테나(31) 및 지파재(33)를 덮도록 커버 부재(34)가 설치되어 있다. 커버 부재(34)는, 예를 들면 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 등의 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 플레이트(13)와 커버 부재(34)는 씰 부재(35)에 의해 씰링되어 있다. 커버 부재(34)의 내부에는 냉각수 유로(34a)가 형성되어 있다. 이 냉각수 유로(34a)에 냉각수를 통류시킴으로써, 커버 부재(34), 지파재(33), 평면 안테나(31) 및 투과판(28)을 냉각할 수 있도록 되어 있다. 또한, 커버 부재(34)는 접지되어 있다.
커버 부재(34)의 상벽(천장부)의 중앙에는 개구부(36)가 형성되어 있고, 이 개구부(36)에는 도파관(37)이 접속되어 있다. 도파관(37)의 타단측에는, 매칭 회로(38)를 개재하여 마이크로파를 발생하는 마이크로파 발생 장치(39)가 접속되어 있다.
도파관(37)은, 상기 커버 부재(34)의 개구부(36)로부터 상방으로 연장되는 단면 원형 형상의 동축 도파관(37a)과, 이 동축 도파관(37a)의 상단부에 접속된 수평 방향으로 연장되는 구직사각형 도파관(37b)을 가지고 있다.
동축 도파관(37a)의 중심에는 내도체(41)가 연장되어 있다. 이 내도체(41)는, 그 하단부에서 평면 안테나(31)의 중심에 접속 고정되어 있다. 이러한 구조에 의해, 마이크로파는, 동축 도파관(37a)의 내도체(41)를 거쳐 평면 안테나(31)에 방사 형상으로 효율적으로 균일하게 전파된다.
이상과 같은 구성의 마이크로파 도입 장치(27)에 의해, 마이크로파 발생 장치(39)에서 발생한 마이크로파가 도파관(37)을 거쳐 평면 안테나(31)에 전반되고, 또한 투과판(28)을 거쳐 처리 용기(1) 내로 도입되도록 되어 있다. 또한 마이크로파의 주파수로서는, 예를 들면 2.45 GHz가 바람직하게 이용되고, 이 외에 8.35 GHz, 1.98 GHz 등을 이용할 수도 있다.
플라즈마 CVD 장치(100)의 각 구성부는 제어부(50)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 제어부(50)는 컴퓨터를 가지고 있고, 예를 들면 도 3에 도시한 바와 같이, CPU를 구비한 프로세스 콘트롤러(51)와, 이 프로세스 콘트롤러(51)에 접속된 유저 인터페이스(52) 및 기억부(53)를 구비하고 있다. 프로세스 콘트롤러(51)는, 플라즈마 CVD 장치(100)에서 예를 들면 온도, 압력, 가스 유량, 마이크로파 파워, 바이어스 인가용의 고주파 전력 등의 프로세스 조건에 관계하는 각 구성부(예를 들면, 히터 전원(5a), 고주파 전원(9), 가스 공급 장치(18), 배기 장치(24), 마이크로파 발생 장치(39) 등)를 통괄하여 제어하는 제어 수단이다.
유저 인터페이스(52)는, 공정 관리자가 플라즈마 CVD 장치(100)를 관리하기 위하여 커멘드의 입력 조작 등을 행하는 키보드, 및 플라즈마 CVD 장치(100)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등을 가지고 있다. 또한 기억부(53)에는, 플라즈마 CVD 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 프로세스 콘트롤러(51)의 제어로 실현하기 위한 제어 프로그램(소프트웨어) 및 처리 조건 데이터 등이 기록된 레시피가 보존되어 있다.
그리고, 필요에 따라 유저 인터페이스(52)로부터의 지시 등으로 임의의 레시피를 기억부(53)로부터 호출하여 프로세스 콘트롤러(51)에 실행시킴으로써, 프로세스 콘트롤러(51)의 제어 하에서 플라즈마 CVD 장치(100)의 처리 용기(1) 내에서 원하는 처리가 행해진다. 또한, 상기 제어 프로그램 및 처리 조건 데이터 등의 레시피는, 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체, 예를 들면 CD-ROM, 하드 디스크, 플렉서블 디스크, 플래쉬 메모리, DVD, 블루 레이 디스크 등에 저장된 상태의 것을 이용하거나, 혹은 다른 장치로부터, 예를 들면 전용 회선을 개재하여 수시 전송시켜 온라인으로 이용하는 것도 가능하다.
이어서, RLSA 방식의 플라즈마 CVD 장치(100)를 이용한 플라즈마 CVD법에 의한 폴리 실리콘막의 퇴적 처리에 대하여 설명한다. 우선, 게이트 밸브(17)를 개방하여 반입출구(16)로부터 웨이퍼(W)를 처리 용기(1) 내로 반입하고, 재치대(2) 상에 재치한다. 이어서, 처리 용기(1) 내를 감압 배기하면서, 가스 공급 장치(18)의 불활성 가스 공급원(19a), 수소 가스 공급원(19b), 규소 화합물 가스 공급원(19c) 및 수소 가스 공급원(19e) 또한 필요에 따라 도펀트 가스 공급원(19d)으로부터, 규소 화합물 가스, 수소 가스 및 / 또는 불활성 가스 그리고 필요에 따라 도펀트 가스를 소정의 유량으로 각각 제 1 가스 도입부(14a) 및 제 2 가스 도입부(14b)를 거쳐 처리 용기(1) 내로 도입한다. 그리고, 처리 용기(1) 내를 소정의 압력으로 조절한다.
여기서, 플라즈마 CVD에서의 바람직한 조건(처리 압력, 성막 가스 유량, 성막 온도)에 대하여 설명한다. 처리 압력은, 0.1 Pa 이상 10.6 Pa 이하의 범위 내가 바람직하고, 0.1 Pa 이상 5.3 Pa 이하의 범위 내가 보다 바람직하다. 처리 압력은 낮을수록 좋고, 상기 범위의 하한치 0.1 Pa는, 장치 상의 제약(고진공도의 한계)에 기초하여 설정한 값이다. 처리 압력이 10.6 Pa를 넘으면, 폴리 실리콘의 결정화도가 저하되어 막질이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 전체 성막 가스 유량에 대하여, Si2H6 가스 등의 규소 화합물 가스의 체적 유량 비율(규소 화합물 가스 / 합계 성막 가스 유량의 백분율)을 0.5% 이상 10% 이하로 하는 것이 바람직하고, 1% 이상 5% 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 1.25% 이상 2.5% 이하로 하는 것이 바람직하다. 규소 화합물 가스의 체적 유량 비율이 0.5% 이하에서는 충분한 성막 레이트가 얻어지지 않고, 10%를 넘으면 막질이 저하될 우려가 있다. 또한 규소 화합물 가스의 유량은, 1 mL/min(sccm) 이상 100 mL/min(sccm) 이하, 바람직하게는 1 mL/min(sccm) 이상 20 mL/min(sccm) 이하의 범위 내로부터 상기 유량 비율이 되도록 설정할 수 있다.
또한, 성막 가스 중에는 규소 화합물 가스와 함께 수소를 포함하는 것이 바람직하다. 수소는, 결정성 규소막 중의 결함에 혼입됨으로써, 결정을 수복시키는 작용이 있다. 따라서, 성막 가스 중에 수소를 첨가함으로써, 결정성 규소막의 결정성을 높여 막질을 향상시킬 수 있다. 합계의 성막 가스 유량에 대하여, 수소 가스의 체적 유량 비율(H2가스 / 합계 성막 가스 유량의 백분율)을 90% 이상 99.5% 이하로 하는 것이 바람직하고, 95% 이상 99% 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 97.5% 이상 98.75% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한 수소 가스의 유량은, 10 mL/min(sccm) 이상 1000 mL/min(sccm) 이하, 바람직하게는 50 mL/min(sccm) 이상 500 mL/min(sccm) 이하의 범위 내로부터 상기 유량 비율이 되도록 설정할 수 있다.
또한, 플라즈마를 안정적으로 생성시키기 위하여, 상기 규소 화합물 가스 및 수소 가스와 함께 Ar 등의 불활성 가스를 첨가하는 것이 바람직하다. 이 경우, 합계의 성막 가스 유량에 대하여 불활성 가스의 체적 유량 비율(예를 들면, Ar 가스 / 합계 성막 가스 유량의 백분율)을 1% 이상 10% 이하로 하는 것이 바람직하고, 1% 이상 5% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 불활성 가스의 유량은 2 mL/min(sccm) 이상 100 mL/min(sccm) 이하, 바람직하게는 2 mL/min(sccm) 이상 50 mL/min(sccm) 이하의 범위 내로부터 상기 유량 비율이 되도록 설정할 수 있다.
또한, 수소 가스 대신에 불활성 가스를 이용할 경우(즉, 규소 화합물과 불활성 가스를 이용할 경우)에는, 불활성 가스의 유량은 예를 들면 100 mL/min(sccm) 이상 1500 mL/min(sccm) 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 플라즈마 CVD 처리의 온도는 서멀 버짓을 저감시키고, 불순물의 확산을 억제하기 때문에, 재치대(2)의 온도를 600℃이하, 바람직하게는 250℃ 이상 600℃ 이하, 보다 바람직하게는 250℃ 이상 500℃ 이하의 범위 내로 설정하면 된다.
이어서, 마이크로파 발생 장치(39)에서 발생시킨 소정 주파수 예를 들면 2.45 GHz의 마이크로파를, 매칭 회로(38)를 거쳐 도파관(37)으로 유도한다. 도파관(37)으로 유도된 마이크로파는, 직사각형 도파관(37b) 및 동축 도파관(37a)을 차례로 통과하고, 내도체(41)를 거쳐 평면 안테나(31)로 공급된다. 즉 마이크로파는, 동축 도파관(37a) 내를 평면 안테나(31)를 향해 전반한다. 그리고 마이크로파는, 평면 안테나(31)의 슬롯 형상의 마이크로파 방사홀(32)로부터 투과판(28)을 거쳐 처리 용기(1) 내에서의 웨이퍼(W)의 상방 공간에 방사된다. 이 때, 마이크로파 파워를 크게 할수록 성막되는 폴리 실리콘막의 결정화도를 높일 수 있기 때문에, 마이크로파 파워는 웨이퍼(W)의 면적당의 파워 밀도로서 0.25 ~ 2.56 W/cm2의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 마이크로파 파워는, 예를 들면 500 W ~ 5000 W의 범위 내로부터 목적에 따라 상기 범위 내의 파워 밀도가 되도록 선택할 수 있다. 또한, 마이크로파 파워의 상한인 5000 W는 장치 상의 제약에 따라 설정한 값이며, 가능하다면 상기 상한치를 넘는 마이크로파 파워를 공급할 수 있다.
평면 안테나(31)로부터 투과판(28)을 거쳐 처리 용기(1)에 방사된 마이크로파에 의해, 처리 용기(1) 내에서 전자계가 형성되고, 규소 화합물 가스, 수소 가스 및 / 또는 불활성 가스, 또한 도펀트 가스(첨가할 경우)가 각각 플라즈마화한다. 그리고, 플라즈마 중에서 원료 가스의 해리가 효율적으로 진행되고, SipHq, SiHq(여기서 p, q는 임의의 수를 의미함. 이하 동일함)등의 활성종의 반응에 의해 폴리 실리콘막이 퇴적된다.
또한, 필요에 따라 플라즈마 CVD 처리를 행하고 있는 동안, 재치대(2)의 전극(7)에 고주파 전원(9)으로부터 소정의 주파수 및 크기의 고주파 전력을 공급하고, 고주파 바이어스 전압(이하, 단순히 ‘RF 바이어스’라고 기술하는 경우가 있음)을 웨이퍼(W)에 인가할 수도 있다. 플라즈마 CVD 장치(100)에서는, 플라즈마의 전자 온도를 낮게 유지할 수 있으므로, RF 바이어스를 인가해도 막에의 데미지가 적다. 또한, 적절한 범위에서의 RF 바이어스의 인가는, 웨이퍼(W)를 향해 플라즈마 중의 Si 이온을 인입할 수 있기 때문에, 결정화도를 높여 폴리 실리콘막의 막질을 향상시키고, 또한 성막 레이트를 보다 한층 향상시킬 수 있다. 이 경우, 고주파 전원(9)으로부터 공급되는 고주파 전력의 주파수는, 예를 들면 400 kHz 이상 60 MHz 이하의 범위 내가 바람직하고, 450 kHz 이상 20 MHz 이하의 범위 내가 보다 바람직하다. 고주파 전력은, 웨이퍼(W)의 면적당의 파워 밀도로서 예를 들면 0.012 W/cm2 이상 0.585 W/cm2 이하의 범위 내에서 인가하는 것이 바람직하고, 0.012 W/cm2 이상 0.234 W/cm2 이하의 범위 내에서 인가하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 고주파 전력은 10 W 이상 500 W 이하의 범위 내가 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 W 이상 200 W 이하의 범위 내로부터, 상기 파워 밀도가 되도록 전극(7)으로 공급하여 RF 바이어스를 인가할 수 있다.
이상의 조건은, 제어부(50)의 기억부(53)에 레시피로서 보존되어 있다. 그리고, 프로세스 콘트롤러(51)가 그 레시피를 독출하여 플라즈마 CVD 장치(100)의 각 구성부 예를 들면 가스 공급 장치(18), 배기 장치(24), 마이크로파 발생 장치(39), 히터 전원(5a), 고주파 전원(9) 등에 제어 신호를 송출함으로써, 원하는 조건으로의 플라즈마 CVD 처리가 실현된다.
이어서, 본 발명의 기초가 된 실험 데이터를 들어, 플라즈마 CVD 처리의 적합한 조건에 대하여 설명한다.
실험 1 :
규소 화합물로서 SiH4, Si2H6 및 Si3H8 가스를, 플라즈마 생성용 가스로서 Ar 가스를 사용하고, 플라즈마 CVD 장치(100)에서 하기의 플라즈마 CVD 조건으로 성막 가스의 유량을 바꾸어 폴리 실리콘막을 성막했다. 각 조건으로 성막된 폴리 실리콘막의 성막 레이트를 도 4, 결정화도를 도 5에 나타냈다. 또한 결정화도는, 라먼 분광 분석으로 얻어진 스펙트럼의 결정성 실리콘(520 nm)의 신호 강도를 아몰퍼스 실리콘(480 nm)의 신호 강도로 나눈 값이다.
[플라즈마 CVD 조건]
처리 온도(재치대) : 400℃
마이크로파 파워 : 3000 W
처리 압력 : 5.3 Pa
실란계 가스 유량 : 5, 10 또는 20 mL/min(sccm)
Ar 가스 유량 : 상기 실란계 가스와의 합계로 800 mL/min(sccm)
도 4로부터, 성막 레이트는, 어느 규소 화합물에서도 유량의 증가에 비례하여 높아지는 경향을 나타내고 있지만, Si3H8를 사용했을 경우가 가장 높고, 이어서 Si2H6이며, SiH4는 가장 낮은 결과가 되었다. SiH4의 성막 레이트에 대하여, Si3H8는 약 3 배, Si2H6는 약 2 배의 현저한 개선을 나타냈다. 또한 도 5로부터, 결정화도는, 어느 규소 화합물에서도 유량의 증가와 함께 약간 감소하는 경향이 보여지지만, 규소 화합물의 종류에 따른 차이는 적고, 대략 동등한 막질인 것이 확인되었다.
또한 도 6은, 규소 화합물로서 SiH4 및 Si2H6를 사용하여 상기 조건으로 성막한 폴리 실리콘막을 XRD 분석하고, 결정 방위<220>의 신호 강도를 막 두께로 규격화한 비율(%)과, SiH4 및 Si2H6의 유량의 관계를 나타내고 있다. 또한 도 6에는, 성막 레이트(종축의 우측 눈금)도 병기했다. 도 6의 XRD 분석에서도 라먼 분광 분석과 동일한 경향을 나타내고, 결정 방위<220>의 비율은, SiH4 및 Si2H6 모두 유량의 증가와 함께 약간 감소하는 경향이 보여지지만, 규소 화합물에 따른 차이는 적고, 대략 동등한 막질인 것이 확인되었다. 그러나, 성막 레이트는 SiH4에 비해 Si2H6는 약 2 배의 현저한 개선을 나타냈다.
이상의 결과로부터, 규소 화합물 가스의 체적 유량 비율(규소 화합물 가스 / 합계 성막 가스 유량의 백분율)이 1.25% 이상 2.5% 이하의 범위 내에서, SiH4와 비교하여 Si2H6 및 Si3H8를 이용하는 것의 우위성이 뛰어난 것이 이해된다. 따라서, 규소 화합물로서 분자 중에 포함되는 규소 원자의 수가 2 이상인 규소 화합물을 이용함으로써, 폴리 실리콘막의 결정화도를 저하시키지 않고 성막 레이트를 큰 폭으로 향상시킬 수 있는 것이 확인되었다.
실험 2 :
규소 화합물로서 Si2H6, 플라즈마 생성용 가스로서 H2 가스를 사용하여, 플라즈마 CVD 장치(100)에서 하기의 플라즈마 CVD 조건으로 폴리 실리콘막을 성막했다. 각 조건으로 성막된 폴리 실리콘막을 XRD 분석하고, 결정 방위<220>의 신호 강도를 막 두께로 규격화한 비율(%)을 기초로, 막질에 대한 성막 압력, 온도 및 마이크로파 파워의 영향을 조사했다. 결과를 도 7 ~ 9에 나타냈다.
[플라즈마 CVD 조건]
처리 온도(재치대) : 250℃, 400℃ 또는 500℃으로 설정했다.
마이크로파 파워 : 2000 W, 3000 W 또는 4000 W로 설정했다.
처리 압력 : 4 Pa, 5.3 Pa 또는 10.6 Pa로 설정했다.
실란계 가스 유량 : 5 mL/min(sccm)로 설정했다.
H2 가스 유량 : 상기 실란계 가스와의 합계로 400 mL/min(sccm)로 설정했다.
도 7은 성막 압력의 영향을 나타내고 있고, 압력이 4 Pa부터 5.3 Pa에서는 결정 방위<220>의 비율은 거의 변화하고 있지 않지만, 10.6 Pa에서는 큰 폭으로 저하되어 있었다. 따라서 성막 압력은, 예를 들면 10.6 Pa 이하가 바람직하고, 5.3 Pa 이하가 보다 바람직하다고 상정된다.
도 8은 성막 온도(재치대의 온도)의 영향을 나타내고 있고, 250℃, 400℃, 500℃에서 결정 방위<220>의 비율은 거의 변화하고 있지 않고, 의미있는 차는 보여지지 않았다. 단, 성막 온도가 500℃를 넘어 높아지면 결정 방위<220>의 비율이 저하되는 경향이 보여지기 때문에, 성막 온도의 상한은 600℃ 정도로 하는 것이 바람직하다고 상정된다. 따라서 성막 온도는, 예를 들면 250℃ 이상 600℃ 이하가 바람직하고, 250℃에서 500℃가 보다 바람직하다.
도 9는 마이크로파 파워의 영향을 나타내고 있고, 마이크로파 파워를 2000 W에서 4000 W로 크게 함으로써, 결정 방위<220>의 비율이 증가하는 것이 확인되었다. 도 9로부터, 마이크로파 파워를 크게 할수록 결정화도를 높이는 것이 가능하다는 것이 시사되었다. 따라서 마이크로파 파워는, 예를 들면 2000 W 이상 5000 W 이하가 바람직하고, 3000 W 이상 5000 W 이하가 보다 바람직하다고 상정된다.
[불휘발성 메모리 장치의 제조에의 적용예]
이어서, 도 10 ~ 도 15를 참조하여, 본 실시예에 따른 결정성 규소막의 제조 방법을 불휘발성 메모리 장치의 제조 과정에 적용한 예에 대하여 설명한다. 도 10은, 크로스 포인트형의 메모리 셀 어레이(200)의 구성을 모식적으로 도시하고 있다. 메모리 셀 어레이(200)는 복수개(도시에서는 3 개)의 비트선(BL)과 복수개(도시에서는 3 개)의 워드선(WL)의 교점에 메모리 셀(MC)이 배치되어 있다.
도 11은, 도 10의 메모리 셀 어레이(200)의 주요부 단면도이며, 메모리 셀(MC)의 상세한 구조를 도시하고 있다. 메모리 셀(MC)은, 다이오드(201)와 기억 소자(211)가 직렬로 접속된 회로 구조를 하고 있다. 다이오드(201)는 pin 다이오드이며, p형 실리콘층(202), 진성(眞性) 실리콘층(203) 및 n형 실리콘층(204)을 구비하고 있다.
기억 소자(211)로서는, 저항 변화 메모리(RRAM)의 경우는 전기적 스트레스에 의해 저항 변화하는 재료(예를 들면, PrCaMnO 등의 천이 금속 산화물), 상변화 메모리(PRAM)의 경우는 전류에 의한 열스트레스에 의해 상변화하는 재료(예를 들면 GeSeTe 등), 강유전체 메모리(FeRAM)의 경우는 강유전체 재료(예를 들면, 티탄산 지르콘산 연, 스트론튬 / 비스무트 / 탄탈 복합 산화물 등), 자기 메모리(MRAM)의 경우는, 예를 들면 Fe, Co, Ni, CoFe, NiFe 등의 천이 금속 자성 원소 / 이들 합금 등으로 이루어지는 강자성층과 비자성층과 상기 강자성층이 적층된 TMR(강자성 터널 자기 저항 효과) 소자 구조 등을 가지는 것을 들 수 있다.
본 발명에 따른 폴리 실리콘막의 제조 방법은, 크로스 포인트형의 메모리 셀 어레이(200)의 다이오드(201)를 제조할 시에 적용할 수 있다. 도 12 및 도 13에 도시한 바와 같이, 도시하지 않은 층간 절연막 상에 형성된 하부 전극층(220)(워드 라인(WL)이 되는 것) 상에, 플라즈마 CVD 장치(100)에 의해 분자 중에 포함되는 규소 원자의 수가 2 이상인 규소 화합물을 포함하는 성막 가스를 사용하여 폴리 실리콘층(202a)(p형 실리콘층(202)이 되는 부분)을 성막한다. 이 공정에서는, 도펀트 가스 공급원(19d)으로부터 B2H6 등의 도펀트 가스를 공급하여 플라즈마 CVD를 행한다.
이어서 도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이, 폴리 실리콘층(202a) 상에, 플라즈마 CVD 장치(100)에 의해 분자 중에 포함되는 규소 원자의 수가 2 이상인 규소 화합물을 포함하는 성막 가스를 사용하여 폴리 실리콘층(203a)(진성 실리콘층(203)이 되는 부분)을 성막한다.
이어서 도 14 및 도 15에 도시한 바와 같이, 폴리 실리콘층(203a) 상에, 플라즈마 CVD 장치(100)에 의해 분자 중에 포함되는 규소 원자의 수가 2 이상인 규소 화합물을 포함하는 성막 가스를 사용하여 폴리 실리콘층(204a)(n형 실리콘층(204)이 되는 부분)을 성막한다. 이 공정에서는, 도펀트 가스 공급원(19d)으로부터 PH3 등의 도펀트 가스를 공급하여 플라즈마 CVD를 행한다.
이상과 같이 하여, p형 실리콘층(202)이 되는 폴리 실리콘층(202a), 진성 실리콘층(203)이 되는 폴리 실리콘층(203a) 및 n형 실리콘층(204)이 되는 폴리 실리콘층(204a)을 차례로 형성할 수 있다. 이후에는, 폴리 실리콘층(204a) 상에 기억 소자(211)가 되는 부분의 재료막을 형성하고 에칭을 행함으로써, 도 11에 도시한 적층 구조의 메모리 셀(MC)을 형성할 수 있다.
본 발명 방법을 적용함으로써, 높은 성막 레이트로 높은 결정화도의 양질인 폴리 실리콘층(202a, 203a 및 204a)을 성막할 수 있다. 또한 본 발명 방법에서는, 평면 안테나에 의해 처리 용기 내로 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 생성하는 방식의 플라즈마 CVD 장치(100)를 이용함으로써, 600℃ 이하의 저온에서 폴리 실리콘층(202a, 203a 및 204a)을 성막할 수 있으므로, 성막의 과정에서 도펀트의 확산을 발생시키지 않는다. 또한, 통상 도 10에 도시한 바와 같은 메모리 셀 어레이(200)를 적층 구조로 함으로써, 집적도의 향상을 도모하고 있다. 이를 위해서는, p형 실리콘층(202), 진성 실리콘층(203)및 n형 실리콘층(204)로 이루어지는 다이오드(201)(pin 다이오드)는 가능한 한 얇게 형성할 필요가 있다. 그러나, 열CVD법에 의해 폴리 실리콘층(202a, 203a 및 204a)을 성막할 경우에는 박막화가 곤란하고, 또한 고온에 의해 도펀트의 확산이 발생한다. 이러한 관점으로부터, 폴리 실리콘층(202a, 203a 및 204a)을 박막으로 성막할 수 있고, 또한 비교적 저온에서의 성막이 가능하여 도펀트의 확산을 발생시키지 않는 본 발명 방법을 적용하는 것은 매우 유리하다.
이상, 본 발명의 실시예를 기술했지만, 본 발명은 상기 실시예에 제약되지 않고 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시예에서는 크로스 포인트형 불휘발성 메모리 장치의 제조 공정에서의 적용예를 들어 설명했지만 이에 한정되지 않고, 양질인 결정성 규소 박막을 높은 레이트로 성막할 필요가 있는 반도체 프로세스에 널리 적용할 수 있다.
1 : 처리 용기
2 : 재치대
3 : 지지 부재
5 : 히터
9 : 고주파 전원
12 : 배기관
14 : 가스 도입부
14a : 제 1 가스 도입부
14b : 제 2 가스 도입부
16 : 반입출구
17 : 게이트 밸브
18 : 가스 공급 장치
19a : 불활성 가스 공급원
19b : 수소 가스 공급원
19c : 규소 화합물 가스(Si 화합물 가스) 공급원
19d : 도펀트 가스 공급원
19e : 수소 가스 공급원
24 : 배기 장치
27 : 마이크로파 도입 장치
28 : 투과판
29 : 씰 부재
31 : 평면 안테나
32 : 마이크로파 방사홀
37 : 도파관
39 : 마이크로파 발생 장치
50 : 제어부
100 : 플라즈마 CVD 장치
W : 실리콘 웨이퍼(기판)

Claims (11)

  1. 복수의 홀을 가지는 평면 안테나에 의해 처리 용기 내로 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 CVD 장치를 이용하고, 식 SinH2n ＋2(여기서, n은 2 이상의 수를 의미함)로 나타나는 규소 화합물을 포함하는 성막 가스를 상기 마이크로파에 의해 여기하여 플라즈마를 생성시키고, 상기 플라즈마를 이용하여 플라즈마 CVD를 행함으로써 피처리체의 표면에 결정성 규소막을 퇴적시키는 결정성 규소막의 성막 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 규소 화합물이 디실란 또는 트리실란인 결정성 규소막의 성막 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 성막 가스가 희가스를 포함하는 결정성 규소막의 성막 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 성막 가스가 수소 가스를 포함하는 결정성 규소막의 성막 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 성막 가스의 전체 유량에 대한 상기 규소 화합물의 체적 유량 비율이 0.5% ~ 10%의 범위 내인 결정성 규소막의 성막 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 용기 내의 압력을 0.1 Pa 이상 10.6 Pa 이하의 범위 내로 설정하여 상기 플라즈마 CVD를 행하는 결정성 규소막의 성막 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    처리 온도를 250℃ 이상 600℃ 이하로 행하는 결정성 규소막의 성막 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파의 파워 밀도가 피처리체의 면적당 0.25 W/cm2 이상 2.56 W/cm2 이하의 범위 내인 결정성 규소막의 성막 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 CVD 동안 피처리체를 재치하는 재치대에 매설된 전극에 고주파 전력을 인가함으로써, 피처리체에 바이어스 전압을 인가하는 결정성 규소막의 성막 방법.
  10. 플라즈마 CVD법에 의해 피처리체 상에 결정성 규소막을 형성하는 플라즈마 CVD 장치로서,
    피처리체를 수용하는 상부가 개구된 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 배치되고, 피처리체를 재치하는 재치대와,
    상기 처리 용기의 상기 개구를 막는 유전체 부재와,
    상기 유전체 부재의 상부에 설치되고, 상기 처리 용기 내로 마이크로파를 도입하기 위한 복수의 홀을 가지는 평면 안테나와,
    상기 처리 용기 내로 성막 가스를 도입하는 가스 도입부와,
    상기 처리 용기 내를 감압 배기하는 배기 장치와,
    상기 처리 용기 내로 상기 가스 도입부를 거쳐 도입한 식 SinH2n ＋2(여기서, n은 2 이상의 수를 의미함)로 나타나는 규소 화합물을 포함하는 성막 가스를, 상기 평면 안테나를 거쳐 도입한 상기 마이크로파에 의해 여기하여 플라즈마를 생성시키고, 상기 플라즈마를 이용하여 플라즈마 CVD를 행하여 피처리체의 표면에 결정성 규소막을 퇴적시키는 결정성 규소막의 성막 방법이 행해지도록 제어하는 제어부
    를 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 CVD 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 재치대 내에 매설된 전극과,
    상기 전극에 접속하는 고주파 전원
    을 더 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 플라즈마 CVD 동안 상기 전극에 고주파 전력을 인가함으로써, 피처리체에 바이어스 전압을 인가하는 플라즈마 CVD 장치.
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