KR20130121728A - 불순물 확산 방법, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

불순물 확산 방법, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

(과제) 박막에 대하여, 보다 단시간으로, 보다 고농도로 불순물을 기상(氣相) 확산시키는 것이 가능한 불순물 확산 방법을 제공하는 것이다.
(해결 수단) 처리실에, 박막이 형성된 피(被)처리체를 반입하는 공정(스텝 1)과, 처리실 내에서, 박막이 형성된 피처리체를 기상 확산 온도까지 승온(昇溫)하는 공정(스텝 3)과, 처리실 내에, 불순물을 함유하는 불순물 함유 가스를 불활성 가스와 함께 공급하여, 기상 확산 온도로 승온된 피처리체에 형성된 박막 중에 불순물을 확산시키는 공정(스텝 4)을 구비하고, 스텝 4에 있어서, 처리실 내에, 불순물 함유 가스 및 불활성 가스와 함께, 박막으로의 불순물의 확산을 촉진시키는 불순물 확산 촉진 가스를 동시에 공급한다.

Description

불순물 확산 방법, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법{IMPURITY DIFFUSION METHOD, SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS, AND METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 불순물 확산 방법, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
트랜지스터는, 반도체 장치 내에 있어서 능동 소자로서 기능한다. 현재의 고집적화된 반도체 장치에 있어서는, 온·오프 제어를 하기 위한 게이트 전극을 갖는, MOSFET로 대표되는 전계 효과형 트랜지스터가 주로 탑재되어 있다.
게이트 전극은 도전체를 이용하여 형성되지만, 게이트 전극의 중요한 팩터의 하나로서, 게이트 전극의 워크 함수가 있다. 게이트 전극의 워크 함수를 제어하지 않으면, 예를 들면, 트랜지스터의 문턱값이 설계값으로부터 벗어나 버리거나 하여, 정상적인 동작을 기대할 수 없게 된다.
게이트 전극에, 폴리실리콘이나 어모퍼스 실리콘을 이용하는 경우, 게이트 전극의 워크 함수는, 폴리실리콘이나 어모퍼스 실리콘에 도프되는 도너 또는 액셉터, 소위 불순물의 양을 제어함으로써 행해진다. 또한, 폴리실리콘이나 어모퍼스 실리콘에 도프되는 불순물의 양은, 게이트 전극의 저항값도 좌우한다.
이와 같이, 도프되는 불순물의 양은, 게이트 전극의 워크 함수 및, 저항값 등에 영향을 주기 때문에, 엄밀하게 제어되지 않으면 안 된다. 불순물을 도프한 막을 성장시키는 기술로서는, 예를 들면, 특허문헌 1에 기재되어 있다.
특허문헌 1에 있어서는, Si1 － xGex(100)인 기판 표면을 수소 분위기에서 클리닝한 후, BCl3 가스를 불활성 가스인 H2 가스와 함께 공급하여, 기판 표면에 대략 1원자층, 혹은 1원자층의 두께 이하의 B(보론)층을 성장시킨다. 이어서, SiH4-GeH4-H2 혼합 가스를 공급하여, 수㎚∼수백㎚의 Si1 － xGex층을 에피택셜 성장시킨다.
특허문헌 1에 있어서는, 이러한 B층의 성장과, Si1 － xGex층의 에피택셜 성장을 반복함으로써, 액셉터인 보론을 고농도로 도프한 Si1 － xGex층을, 기판 표면 상에 에피택셜 성장시킬 수 있다(예를 들면, 단락 0036∼0040의 기재 등 참조).
일본공개특허공보 2008-53605호
전술한 바와 같이, 게이트 전극을 구성하는 폴리실리콘이나 어모퍼스 실리콘에 도프되는 불순물의 양은, 게이트 전극의 워크 함수 및, 저항값 등에 영향을 주기 때문에, 엄밀하게 제어할 필요가 있다.
최근, 트랜지스터의 미세화에 수반하여, 지금까지는 지나치게 미시적이어서 나타나지 않았던, 게이트 전극의 표면 산화나 에칭 가공했을 때에 일실(逸失)되는 불순물에 기인한, 게이트 전극의 워크 함수 및, 저항값의 변동이, 현저하게 나타나게 되었다.
표면 산화나 에칭 가공시에 일실된 불순물을 보상하기 위해, 폴리실리콘이나 어모퍼스 실리콘에 대하여, 불순물을 기상(氣相) 확산에 의해 확산시키는 것이 생각되고 있다. 그러나, 기상 확산은, 불순물을 고농도로 확산시키기 위해서는 긴 시간을 필요로 한다. 이 때문에, 스루풋의 저하가 우려되고 있다.
또한, 특허문헌 1에는, 보론을 고농도로 도프한 Si1 － xGex층을 에피택셜 성장시키는 것이 기재되어 있다. 그러나, 특허문헌 1은, 보론을 고농도로 도프한 Si1 －xGex층을 에피택셜 성장시키는 것을 기재할 뿐으로, 일실한 불순물을 보상하는 기술에 대해서는 하등 시사도 기재도 없다.
본 발명은, 박막에 대하여, 보다 단시간으로, 보다 고농도로 불순물을 기상 확산시키는 것이 가능한 불순물 확산 방법 및, 이 불순물 확산 방법을 실행하는 것이 가능한 기판 처리 장치, 그리고 상기 불순물 확산 방법을 이용한 반도체 장치의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 제1 실시형태에 따른 불순물의 확산 방법은, 박막 중에 불순물을 확산시키는 불순물 확산 방법으로서, (1) 처리실에, 상기 박막이 형성된 피(被)처리체를 반입하는 공정과, (2) 상기 처리실 내에서, 상기 박막이 형성된 피처리체를 기상 확산 온도까지 승온(昇溫)하는 공정과, (3) 상기 처리실 내에, 상기 불순물을 함유하는 불순물 함유 가스를 불활성 가스와 함께 공급하여, 상기 기상 확산 온도로 승온된 상기 피처리체에 형성된 상기 박막 중에 상기 불순물을 확산시키는 공정을 구비하고, 상기 (3) 공정에 있어서, 상기 처리실 내에, 상기 불순물 함유 가스 및 상기 불활성 가스와 함께, 상기 박막으로의 상기 불순물의 확산을 촉진시키는 불순물 확산 촉진 가스를 동시에 공급한다.
본 발명의 제2 실시형태에 따른 불순물의 확산 방법은, 박막 중에 불순물을 확산시키는 불순물 확산 방법으로서, (1) 처리실에, 상기 박막이 형성된 피처리체를 반입하는 공정과, (2) 상기 처리실 내에서, 상기 박막이 형성된 피처리체를 기상 확산 온도까지 승온하는 공정과, (3) 상기 처리실 내에, 상기 불순물을 함유하는 불순물 함유 가스를 불활성 가스와 함께 공급하여, 상기 기상 확산 온도로 승온된 상기 피처리체에 형성된 상기 박막 중에 상기 불순물을 확산시키는 공정을 구비하고, 상기 (2) 공정에 있어서, 상기 처리실 내에, 환원 작용을 갖는 환원성 가스를 상기 불활성 가스와 함께 공급하여, 상기 피처리체에 형성된 상기 박막의 표면에 존재하는 자연 산화막을, 상기 피처리체를 승온하면서 환원한다.
본 발명의 제3 실시형태에 따른 기판 처리 장치는, 박막 중에 불순물을 확산시키는 확산 처리에 사용 가능한 기판 처리 장치로서, 피처리체가 반입되는 처리실과, 상기 처리실 내에서 상기 피처리체를 가열하여, 상기 피처리체를 승온시키는 가열 기구와, 상기 처리실 내에, 불순물을 함유하는 불순물 함유 가스와, 불활성 가스와, 불순물 확산 촉진 가스 또는 환원성 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 가열 기구 및, 상기 가스 공급 기구를 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 제1 실시형태 또는 상기 제2 실시형태에 기재된 불순물 확산 방법이 실행되도록, 상기 가열 기구 및, 상기 가스 공급 기구를 제어한다.
본 발명의 제4 실시형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법은, (1) 반도체 기판 상에, 도전막을 형성하는 공정과, (2) 상기 도전막을 에칭하는 공정과, (3) 상기 도전막의 에칭 가공면에 대하여, 불순물을 기상 확산시키는 공정을 구비하고, 상기 (3) 공정에, 상기 제1 실시형태 또는 상기 제2 실시형태에 기재된 불순물 확산 방법을 이용한다.
본 발명의 제5 실시형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법은, (1) 반도체 기판 상에, 터널 절연막과, 부유 게이트 전극을 구성하는 제1 도전막을 순차 형성하는 공정과, (2) 상기 제1 도전막, 상기 터널 절연막 및, 상기 반도체 기판을 에칭하고, 상기 반도체 기판에 쉘로우(shallow) 트렌치를 형성함과 함께, 상기 제1 도전막 및 상기 터널 절연막을 제1 방향을 따라서 분리하는 공정과, (3) 상기 제1 방향을 따라서 발생한 상기 제1 도전막의 에칭 가공면에 대하여, 불순물을 기상 확산시키는 공정과, (4) 상기 쉘로우 트렌치의 내부를 소자 분리 절연물로 매입하는 공정과, (5) 상기 제1 도전막 및 상기 소자 분리 절연물 상에, 게이트 간 절연막이 되는 절연막과, 제어 게이트 전극을 구성하는 제2 도전막을 순차 형성하는 공정과, (6) 상기 제2 도전막, 상기 절연막, 상기 제1 도전막 및, 상기 터널 절연막을 에칭하여, 상기 제2 도전막, 상기 절연막, 상기 제1 도전막 및, 상기 터널 절연막을 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라서 분리하는 공정과, (7) 상기 제2 방향을 따라서 발생한 상기 제1 도전막의 에칭 가공면에 대하여, 불순물을 기상 확산시키는 공정을 구비하고, 상기 (3) 공정 및 상기 (7) 공정 중 적어도 어느 한쪽의 공정을, 상기 제1 실시형태 또는 상기 제2 실시형태에 기재된 불순물 확산 방법을 이용하여 행한다.
본 발명에 의하면, 박막에 대하여, 보다 단시간으로, 보다 고농도로 불순물을 기상 확산시키는 것이 가능한 불순물 확산 방법 및, 이 불순물 확산 방법을 실행하는 것이 가능한 기판 처리 장치, 그리고 상기 불순물 확산 방법을 이용한 반도체 장치의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 2a는 피처리체의 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2b는 피처리체의 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2c는 피처리체의 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 폴리실리콘막의 깊이와 보론 농도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 6은 보론 강도를 샘플마다 조사한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 보론 강도 및 보론 강도의 면 내 균일성을 나타내는 도면이다.
도 8은 보론 강도 및 보론 강도의 면 내 균일성을 나타내는 도면이다.
도 9는 보론 강도와 보론 강도의 면 내 균일성과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 보론 강도 및 보론 강도의 면 내 균일성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법을 실시하는 것이 가능한 기판 처리 장치의 일 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 12a는 반도체 장치의 제조 공정 중의 사시도이다.
도 12b는 반도체 장치의 제조 공정 중의 사시도이다.
도 12c는 반도체 장치의 제조 공정 중의 사시도이다.
도 12d는 반도체 장치의 제조 공정 중의 사시도이다.
도 12e는 반도체 장치의 제조 공정 중의 사시도이다.
도 12f는 반도체 장치의 제조 공정 중의 사시도이다.
도 12g는 반도체 장치의 제조 공정 중의 사시도이다.
도 12h는 반도체 장치의 제조 공정 중의 사시도이다.
도 12i는 반도체 장치의 제조 공정 중의 사시도이다.
도 12j는 반도체 장치의 제조 공정 중의 사시도이다.
도 13a는 제1 보론 함유 폴리실리콘막이 에칭되어 가는 모습을 나타내는 사시도이다.
도 13b는 제1 보론 함유 폴리실리콘막이 에칭되어 가는 모습을 나타내는 사시도이다.
도 13c는 제1 보론 함유 폴리실리콘막이 에칭되어 가는 모습을 나타내는 사시도이다.
도 14a는 제1 보론 함유 폴리실리콘막이 에칭되어 가는 모습을 나타내는 사시도이다.
도 14b는 제1 보론 함유 폴리실리콘막이 에칭되어 가는 모습을 나타내는 사시도이다.
도 14c는 제1 보론 함유 폴리실리콘막이 에칭되어 가는 모습을 나타내는 사시도이다.
도 15는 기상 확산 공정의 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 16은 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 17은 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 18은 본 발명의 제6 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명의 실시 형태를, 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 전체 도면에 걸쳐, 공통의 부분에는 공통의 참조 부호를 붙인다.
(제1 실시 형태)
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 나타내는 타이밍 차트, 도 2a∼도 2c는 피처리체의 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
우선, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 불순물을 확산시키는 피처리체를 준비한다. 본 예에 있어서는, 반도체 기판, 예를 들면, 실리콘 기판(1)을 준비한다. 실리콘 기판(1) 상에는, 예를 들면, 실리콘 산화막(2)이 형성되고, 이 실리콘 산화막(2) 상에, 불순물, 예를 들면, 보론이 도프된 폴리실리콘막(3)이 형성되어 있다. 폴리실리콘막(3)의 표면에는 표면 산화막(3a)이 형성되어 있다. 표면 산화막(3a)은, 폴리실리콘막(3)의 표면을, 예를 들면, 열산화하여 의도적으로 형성한 것이라도 좋고, 또한, 예를 들면, 폴리실리콘막(3)이 대기 등에 접함으로써, 폴리실리콘막(3)의 표면 상에 자연히 성장한 자연 산화막이라도 좋다. 또한, 본 예에 있어서의 폴리실리콘막(3)의 보론 농도는, 1×1017atoms/㎤이다. 폴리실리콘막(3)에는, 나중에, 불순물, 예를 들면, 보론이 기상 확산된다.
다음으로, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 실리콘 기판(1)에 대하여, 농도 1％의 묽은 불산을 이용하여 3min간의 전(前) 세정을 행한다. 이어서, 실리콘 기판(1)에 대하여, 순수를 이용하여 20min간의 물세정을 행하고, 그 후, 10min간 건조시킨다. 농도 1％의 묽은 불산을 이용한 전 세정에 의해, 표면 산화막(3a)은 박리된다. 여기에서, 폴리실리콘막(3)의 표면에 산소 원자가 결합하고 있으면, 보론이 폴리실리콘막(3)의 표면에 흡착하기 어려워진다는 사정이 있다. 이 때문에, 본 예와 같이, 보론의 기상 확산 전에, 폴리실리콘막(3)의 표면으로부터 표면 산화막(3a)을 박리해 둔다. 이에 따라, 보론을 폴리실리콘막(3)의 표면에 흡착시키기 쉽게 할 수 있어, 폴리실리콘막(3) 내에, 보론을 확산시키기 쉽게 할 수 있다는 이점을 얻을 수 있다. 또한, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 폴리실리콘막(3)의 내부에는, 그 표면으로부터 약 15㎚ 정도에 걸쳐, 불순물, 본 예에서는 보론이 일실한 불순물 일실층(4)이 발생한다. 불순물 일실층(4)은, 예를 들면, 반도체 장치의 제조 프로세스에 있어서는, 에칭 가공, 또는 표면 산화시에 발생하는 불순물 일실층에 상당한다.
다음으로, 도 1 중의 스텝 1에 나타내는 바와 같이, 상기 전 세정, 물세정 및, 건조가 행해진 실리콘 기판(1)을, 불순물을 확산시키는 기판 처리 장치의 처리실 내에 반입한다. 반입은, 상기 전 세정, 물세정 및, 건조 후, 10min 이내에 행했다. 반입시, 처리실의 압력은 대기압으로 하고, 처리실 내에는 불활성 가스를 공급한다. 불활성 가스의 일 예는, 질소(N2) 가스이다.
다음으로, 도 1 중의 스텝 2에 나타내는 바와 같이, 불활성 가스의 공급을 멈추고, 처리실 내를 배기한다. 이때, 처리실 내의 압력은, 예를 들면, 133㎩(＝1 Torr) 미만의 낮은 압력이 된다.
다음으로, 도 1 중의 스텝 3에 나타내는 바와 같이, 처리실 내에, 불활성 가스(N2)를 공급하여, 처리실 내의 압력을, 예를 들면, 9380㎩(＝70Torr)로 한다. 불활성 가스는, 예를 들면, 캐리어 가스 및/또는 희석 가스로서 기능한다. 또한, 처리실 내의 실리콘 기판(1)을 가열하여, 실리콘 기판(1)의 온도를 기상 확산 온도로 승온한다. 기상 확산 온도의 일 예는, 예를 들면, 600℃이다. 승온 공정시, 본 예에 있어서는, 불순물 함유 가스, 예를 들면, 보론 함유 가스와, 불순물의 확산을 촉진시키는 불순물 확산 촉진 가스를, 처리실 내에, 추가로 공급한다. 보론 함유 가스의 일 예는, 삼염화 보론(BCl3) 가스이다. 불순물 확산 촉진 가스의 일 예는, 수소(H2) 가스이다. 또한, 보론 함유 가스로서, 본 예에서는, 1％ 농도의 삼염화 보론 가스를 이용했다. 1％ 농도의 삼염화 보론 가스는, 예를 들면, 몰분율로 질소 가스 99％, 삼염화 보론 가스 1％로 함으로써 얻을 수 있다.
승온 공정에 있어서의 불활성 가스, 불순물 함유 가스 및, 불순물 확산 촉진 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
불순물 함유 가스(BCl3(1％)): 100sccm
불순물 확산 촉진 가스(H2): 100sccm
다음으로, 도 1 중의 스텝 4 및 도 2c에 나타내는 바와 같이, 실리콘 기판(1)의 온도가 기상 확산 온도에 도달하면, 처리실 내의 압력을 기상 확산 압력으로 한다. 기상 확산 압력의 일 예는, 5998.3㎩(＝45.1Torr)이다. 또한, 처리실 내에는, 계속 불활성 가스(N2), 불순물 함유 가스(BCl3) 및, 불순물 확산 촉진 가스(H2)를 공급한다. 이에 따라, 예를 들면, 10min간의 기상 확산 공정을 행한다.
기상 확산 공정에 있어서의 불활성 가스, 불순물 함유 가스 및, 불순물 확산 촉진 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
불순물 함유 가스(BCl3(1％)): 100sccm
불순물 확산 촉진 가스(H2): 100sccm
다음으로, 도 1 중의 스텝 5에 나타내는 바와 같이, 기상 확산 공정의 종료 후, 불활성 가스, 불순물 함유 가스 및, 불순물 확산 촉진 가스의 공급을 멈추고, 처리실 내를 배기한다. 이때에도, 처리실 내의 압력은, 예를 들면, 133㎩(＝1Torr) 미만의 낮은 압력이 된다.
다음으로, 도 1 중의 스텝 6에 나타내는 바와 같이, 배기 공정의 종료 후, 실리콘 기판(1)의 가열을 멈추고, 실리콘 기판(1)의 온도를, 반출 가능한 온도로까지 강온(降溫)한다. 반출 가능한 온도의 일 예는, 300℃이다. 또한, 반입시의 온도도 300℃이다. 300℃의 온도는, 예를 들면, 폴리실리콘막(3)의 표면 상에, 대기 중의 산소(O2) 가스에 의한 쓸모없는 자연 산화가 진행되기 어려운 온도이기도 하다.
또한, 본 예에 있어서는, 강온 공정시, 처리실 내에, 산화제 함유 가스를 공급한다. 처리실 내의 압력은, 예를 들면, 133㎩(＝1Torr)로 한다. 산화제 함유 가스의 일 예는, 일산화 이질소(N2O) 가스이다. 예를 들면, 300℃까지의 강온시에, 처리실 내에, 산화제 함유 가스를 공급함으로써, 폴리실리콘막(3)의 표면에는, 얇은 실리콘 산화막이 형성된다. 얇은 실리콘 산화막은, 폴리실리콘막(3) 중에 도프된 보론의 바깥쪽 확산을 억제하는 보호 산화막으로서 기능한다.
강온 공정에 있어서 보호 산화막을 형성하는 경우, 산화제 함유 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
산화제 함유 가스(N2O): 1000sccm
또한, 보호 산화막을 형성할지 아닐지에 대해서는 임의이며, 필요에 따라서 생략하는 것도 가능하다.
다음으로, 도 1 중의 스텝 7에 나타내는 바와 같이, 강온 공정의 종료 후, 산화제 함유 가스의 공급을 멈추고, 처리실 내를 배기한다. 이때에도, 처리실 내의 압력은, 예를 들면, 133㎩(＝1Torr) 미만의 낮은 압력이 된다.
다음으로, 도 1 중의 스텝 8에 나타내는 바와 같이, 강온 공정의 종료 후, 처리실 내에 불활성 가스를 공급하여 처리실 내의 압력을 대기압으로 하고, 기상 확산이 종료된 폴리실리콘막(3)이 형성된 실리콘 기판(1)을, 처리실 내로부터 반출한다.
이와 같이 하여, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 이용한 불순물의 확산 처리가 종료된다.
도 3은, 폴리실리콘막(3)의 깊이와, 보론 농도와의 관계를 나타내는 도면이다. 도 3에는, 폴리실리콘막(3)을 이차 이온 질량 분석(SIMS)하여, 폴리실리콘막(3) 중에 함유되어 있는 보론을 깊이 방향을 따라서 구한 것이다.
도 3 중의 실선 Ⅰ은 제1 실시 형태에 의한 것, 파선 Ⅱ는 온도, 압력 및, 확산 시간은 제1 실시 형태와 동일하지만 불순물 확산 촉진 가스, 예를 들면, 수소 가스의 첨가가 없는 것, 일점 쇄선 Ⅲ은, 파선 Ⅱ와 동일하게, 수소 가스의 첨가가 없지만, 확산 시간을 10min에서 60min로 연장한 것이다.
도 3 중의 실선 Ⅰ에 나타내는 바와 같이, 제1 실시 형태에 의하면, 수소 가스의 첨가가 없는 경우(파선 Ⅱ)와 비교하여, 보다 많은 보론이 폴리실리콘막(3) 중에 확산되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 확산 시간을 길게 하면, 수소 가스의 첨가가 없어도, 보다 많은 보론을 폴리실리콘막(3) 중에 확산시키는 것이 가능하다(일점 쇄선 Ⅲ). 그러나, 확산 시간이 긴 것은, 반도체 장치의 제조에 있어서는 스루풋의 저하를 조장한다. 이 때문에, 실용에는 적합하지 않은 면이 있다.
이 점에서, 불순물 확산 촉진 가스, 예를 들면, 수소 가스를 첨가하는 제1 실시 형태에 의하면, 확산 시간이 짧아도, 수소 가스를 첨가하지 않는 경우와 비교하여, 보다 많은 불순물, 예를 들면, 보론을 폴리실리콘막(3) 중에 확산시킬 수 있다. 이 때문에, 스루풋의 저하를 억제할 수 있어, 반도체 장치의 제조에의 적용에 유효하다는 이점을 얻을 수 있다.
게다가, 제1 실시 형태에 의하면, 도 3 중의 파선원 A 내에 나타내는 바와 같이, 폴리실리콘막(3)의 표면 부근에 있어서는, 장시간의 확산을 행하는 경우와 비교해도, 보다 많은 보론이 함유되어 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 기상 확산 중에, 불순물 확산 촉진 가스를 첨가함으로써, 불순물의, 폴리실리콘막(3) 중으로의 드라이브인이 가속되는 것을 의미하고 있다. 표면 부근에, 보다 많은 불순물을 함유시킬 수 있다는 이점은, 예를 들면, 에칭 가공시에 일실된 불순물의 보상에 있어서는 유리하다.
이와 같이, 제1 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법에 의하면, 박막, 예를 들면, 폴리실리콘막(3)에 대하여, 보다 단시간으로, 보다 고농도로 불순물을 기상 확산시키는 것이 가능한 불순물 확산 방법이 얻어진다는 이점을 얻을 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 제2 실시 형태가, 도 1 등에 나타낸 제1 실시 형태와 상이한 부분은, 스텝 3에 있어서의 승온 공정에 있어서, 불순물 함유 가스, 예를 들면, 삼염화 보론 가스를 처리실 내에 공급하지 않는 것이다.
승온 공정(스텝 3)에 있어서의 불활성 가스 및, 불순물 확산 촉진 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
불순물 확산 촉진 가스(H2): 100sccm
또한, 기상 확산 공정(스텝 4)에 있어서의 불활성 가스, 불순물 함유 가스 및, 불순물 확산 촉진 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
불순물 함유 가스(BCl3(1％)): 100sccm
불순물 확산 촉진 가스(H2): 100sccm
제2 실시 형태와 같이, 불순물 함유 가스는, 스텝 4에 나타내는 기상 확산 공정에 있어서만, 공급하도록 해도 좋다. 이와 같이 해도, 처리실 내에는 불순물 확산 촉진 가스, 예를 들면, 수소 가스가 공급되어 있기 때문에, 불순물 확산 촉진 가스를 공급하지 않는 경우와 비교하여, 불순물, 예를 들면, 보론을, 폴리실리콘막(3) 내에, 단위 시간당보다 고농도로 확산시킬 수 있다.
(제3 실시 형태)
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 제3 실시 형태가, 도 1 등에 나타낸 제1 실시 형태와 상이한 부분은, 스텝 3에 있어서의 승온 공정에 있어서, 불순물 함유 가스, 예를 들면, 삼염화 보론 가스를 처리실 내에 공급하지 않는 것 및, 스텝 4에 있어서의 기상 확산 공정에 있어서, 불순물 확산 촉진 가스, 예를 들면, 수소 가스를 공급하지 않는 것이다.
승온 공정(스텝 3)에 있어서의 불활성 가스 및, 불순물 확산 촉진 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
불순물 확산 촉진 가스(H2): 100sccm
또한, 기상 확산 공정(스텝 4)에 있어서의 불활성 가스 및, 불순물 함유 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
불순물 함유 가스(BCl3(1％)): 100sccm
제3 실시 형태와 같이, 불순물 함유 가스는, 스텝 4에 나타내는 기상 확산 공정에 있어서만 공급하고, 불순물 확산 촉진 가스는, 스텝 3에 나타내는 승온 공정에 있어서만 공급하도록 해도 좋다. 특히, 불순물 확산 촉진 가스를 스텝 3에 나타내는 승온 공정에 있어서만 공급하는 경우에는, 불순물 확산 촉진 가스가 환원성 가스인 것이 좋다. 예를 들면, 수소 가스는, 환원성 가스이다. 승온 공정에 있어서, 환원성 가스인 수소 가스를 처리실 내에 공급함으로써, 폴리실리콘막(3)의 표면에 형성되어 있는 자연 산화막이 환원되어, 제거된다. 이 때문에, 기상 확산 공정에 있어서는, 폴리실리콘막(3)의 표면으로부터 자연 산화막이 제거된 상태에서, 불순물, 예를 들면, 보론을 확산시키는 것이 가능해진다. 이 때문에, 예를 들면, 폴리실리콘막(3)의 표면에 자연 산화막이 존재한 상태인 채 기상 확산 공정을 행하는 경우와 비교하여, 불순물, 예를 들면, 보론을, 폴리실리콘막(3) 내에, 단위 시간당보다 고농도로 확산시킬 수 있다.
(비교 결과)
도 6은, 보론 강도를 샘플마다 조사한 결과를 나타내는 도면이다. 도 6에서는, 폴리실리콘막(3)을 형광 X선 분석(XRF)하여, 폴리실리콘막(3) 중에 포함되는 보론 강도를 구한 것이다. 샘플은 하기의 5가지이다. 　
(1) 기상 확산 없음…초기 상태　
(2) 기상 확산 있음…불순물 확산 촉진 가스의 첨가 없음　
(3) 제1 실시 형태　
(4) 제2 실시 형태　
(5) 제3 실시 형태　
또한, 기상 확산 공정의 조건은,
기상 확산 압력: 598.5㎩(4.5Torr)　
기상 확산 온도: 800℃
기상 확산 시간: 10min이다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 기상 확산 없음, 즉, 초기 상태의 폴리실리콘막(3)의 보론 강도는, 1.49kcps이다.
우선, 불순물 확산 촉진 가스를 첨가하지 않고, 불순물 함유 가스, 예를 들면, 삼염화 보론 가스만으로 기상 확산시킨 경우에는, 보론 강도는, 1.77kcps까지 상승한다.
또한, 이 예에 있어서는, 스텝 3에 있어서는 삼염화 보론 가스를 공급하지 않고, 불활성 가스만을 공급했다. 공급량은 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
또한, 스텝 4에 있어서의 불활성 가스 및, 삼염화 보론 가스의 공급량은 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
불순물 함유 가스(BCl3(1％)): 100sccm
또한, 도 5에 나타낸 제3 실시 형태와 같이, 승온 공정(스텝 3)에 있어서, 불순물 확산 촉진 가스(환원성 가스), 예를 들면, 수소 가스를 처리실 내에 공급한 경우에는, 보론 강도는 2.07kcps까지 상승한다.
또한, 도 4에 나타낸 제2 실시 형태와 같이, 승온 공정(스텝 3) 및, 기상 확산 공정(스텝 4)의 쌍방에 있어서, 불순물 확산 촉진 가스, 예를 들면, 수소 가스를 처리실 내에 공급한 경우에는, 보론 강도는 2.64kcps까지 상승한다.
또한, 도 1에 나타낸 제1 실시 형태와 같이, 승온 공정(스텝 3) 및, 기상 확산 공정(스텝 4)의 쌍방에 있어서, 불순물 함유 가스, 예를 들면, 삼염화 보론 가스와, 불순물 확산 촉진 가스, 예를 들면, 수소 가스를 처리실 내에 공급한 경우에는, 보론 강도는 3.37kcps까지 상승한다.
이와 같이, 제1∼제3 실시 형태 중 어느 것에 있어서도, 불순물 확산 촉진 가스를 첨가하지 않는 경우와 비교하여, 폴리실리콘막(3)의 보론 강도가 향상되는 것이 확인되었다.
(보론 강도의 온도 및 압력 의존성)
도 7은, 보론 강도 및, 보론 강도의 면 내 균일성을 나타내는 도면이다.
도 7에 있어서는, 기상 확산 압력으로서, 598.5㎩(＝4.5Torr), 5998.3㎩(＝45.1Torr)의 2개를 설정하고, 각각의 압력에 있어서, 기상 확산 온도로서 500℃, 600℃, 700℃, 800℃의 4개를 설정하고, 그때의 보론 강도를 비교하고 있다. 또한, 기상 확산은, 제2 실시 형태에서 설명한 예를 이용했다.
우선, 압력 의존성에 있어서는, 기상 확산 압력이 5998.3㎩일 때와 비교하여, 기상 확산 압력이 598.5㎩일 때의 쪽이, 보론 강도가 높아지는 경향을 나타내고 있다. 이 견해로부터, 기상 확산 압력은 5998.3㎩ 미만에서 행하는 것이 바람직하다.
다음으로, 온도 의존성에 있어서는, 기상 확산 온도가 500℃이면, 보론 강도는 1.52kcps(기상 확산 압력 598.5㎩(＝4.5Torr)), 1.51kcps(기상 확산 압력 5998.3㎩(＝45.1Torr))가 되어, 기상 확산 전의 상태(초기 상태)인 1.49kcps와 큰 차이가 없다. 즉, 기상 확산 온도가 500℃이면, 보론이, 거의 확산되지 않는다. 이 견해로부터, 보론의 확산 효과를 유효하게 발휘시키고 싶은 경우에는, 기상 확산은 500℃를 초과하는 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
또한, 기상 확산 온도를 700℃, 800℃로 하면, 보론이 확산되기 쉬워지기는 하지만, 보론 강도의 면 내 균일성이 ±10％ 이상이 되는 것도 판명되었다. 이에 대하여, 기상 확산 온도가 600℃이면, 보론 강도의 면 내 균일성은 ±2.8％(기상 확산 압력 598.5㎩), ±3.1％(기상 확산 압력 5998.3㎩)가 되어, ±10％ 미만이 된다. 이 견해로부터, 보론 강도의 면 내 균일성을, 예를 들면, ±10％ 미만으로 억제하고 싶은 경우에는, 기상 확산은 700℃ 미만의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
(보론 강도의 시간 의존성)
그런데, 기상 확산 온도를 600℃로 하면, 예를 들면, 기상 확산 온도가 700℃인 경우와 비교하여, 보론이 확산되기 어렵다. 그래서, 보론 강도의 시간 의존성을 조사해 보았다.
도 8에, 기상 확산 온도를 600℃, 기상 확산 압력을 598.5㎩(＝4.5Torr))로 하고, 기상 확산 시간을 10min 및, 90min로 한 경우의 보론 강도 및, 보론 강도의 면 내 균일성을 나타낸다. 본 예에 있어서도, 기상 확산은, 제2 실시 형태에서 설명한 예를 이용했다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 기상 확산 온도가 600℃인 경우, 기상 확산 시간을 90min로 하면, 보론 강도가 1.97kcps에서 5.45kcps로 향상된다. 게다가, 면 내 균일성은 ±2.8％에서 ±8％가 될 뿐이며, 보론 강도의 면 내 균일성은, 계속 ±10％ 미만을 달성하고 있다. 이 견해로부터, 기상 확산 온도를 600℃ 부근, 예를 들면, 550℃에서 650℃의 범위로 한 경우에는, 기상 확산 시간을 조절함으로써 보론 강도를 향상시킬 수 있다. 게다가, 보론 강도를 향상시킨 경우에 있어서도, 보론 강도의 면 내 균일성은, 대체로 ±10％ 미만을 달성하는 것이 가능하다. 도 9에, 보론 강도와 보론 강도의 면 내 균일성과의 관계를 나타내 둔다.
(보론 강도의 압력 의존성)
도 7을 참조하여 설명한 바와 같이, 기상 확산 압력이 낮은 쪽이, 보론 강도가 높아지는 경향을 나타낸다. 그래서, 보론 강도의 기상 확산 압력의 하한을 조사해 보았다.
도 10에, 기상 확산 온도를 600℃, 기상 확산 시간을 10min로 하고, 기상 확산 압력을 598.5㎩ 및, 59.85㎩로 한 경우의 보론 강도 및, 보론 강도의 면 내 균일성을 나타낸다. 본 예에 있어서도, 기상 확산은, 제2 실시 형태에서 설명한 예를 이용했다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 기상 확산 온도가 600℃인 경우, 기상 확산 압력을 59.85㎩로 해도, 보론 강도가 1.97kcps에서 1.91 kcps로 변화할 뿐이며, 거의 변하지 않는다. 또한, 보론 강도의 면 내 균일성도 ±2.8％에서 ±2.7％로 변화할 뿐이며, 이것도 또한 거의 변하지 않는다. 이들 견해로부터, 기상 확산 압력은 59.85㎩ 이상에서 행하는 것이 가능하다.
(기판 처리 장치)
다음으로, 본 발명의 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법을 실시하는 것이 가능한 기판 처리 장치의 일 예를 설명한다.
도 11은, 본 발명의 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법을 실시하는 것이 가능한 기판 처리 장치의 일 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11에 나타내는 바와 같이, 기판 처리 장치(100)는, 하단이 개구된 천정이 있는 원통체 형상의 처리실(101)을 갖고 있다. 처리실(101)의 전체는, 예를 들면, 석영에 의해 형성되어 있다. 처리실(101) 내의 천정에는, 석영제의 천정판(102)이 설치되어 있다. 처리실(101)의 하단 개구부에는, 예를 들면, 스테인리스 스틸에 의해 원통체 형상으로 성형된 매니폴드(103)가 O링 등의 시일 부재(104)를 개재하여 연결되어 있다.
매니폴드(103)는 처리실(101)의 하단을 지지하고 있다. 매니폴드(103)의 하방으로부터는, 피처리체로서 복수매, 예를 들면, 50∼100매의 반도체 기판, 본 예에서는, 실리콘 기판(1)을 다단에 재치 가능한 석영제의 웨이퍼 보트(105)가 처리실(101) 내에 삽입 가능하게 되어 있다. 이에 따라, 처리실(101) 내에 실리콘 기판(1)이 수용된다. 웨이퍼 보트(105)는 복수 라인의 지주(106)를 갖고, 지주(106)에 형성된 홈에 의해 복수매의 실리콘 기판(1)이 지지되게 되어 있다.
웨이퍼 보트(105)는, 석영제의 보온통(107)을 사이에두고 테이블(108) 상에 올려놓여져 있다. 테이블(108)은, 매니폴드(103)의 하단 개구부를 개폐하는, 예를 들면, 스테인리스 스틸제의 덮개부(109)를 관통하는 회전축(110) 상에 지지된다. 회전축(110)의 관통부에는, 예를 들면, 자성 유체 시일(111)이 설치되어, 회전축(110)을 기밀하게 시일하면서 회전 가능하게 지지하고 있다. 덮개부(109)의 주변부와 매니폴드(103)의 하단부와의 사이에는, 예를 들면, O링으로 이루어지는 시일 부재(112)가 개설되어 있다. 이에 따라 처리실(101) 내의 시일성이 보존유지되어 있다. 회전축(110)은, 예를 들면, 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(도시하지 않음)에 지지된 아암(113)의 선단에 부착되어 있다. 이에 따라, 웨이퍼 보트(105) 및 덮개부(109) 등은, 일체적으로 승강되어 처리실(101) 내에 대하여 삽입 이탈된다.
기판 처리 장치(100)는, 처리실(101) 내에, 처리에 사용하는 가스를 공급하는 처리 가스 공급 기구(114) 및, 처리실(101) 내에, 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 기구(115)를 갖고 있다. 본 예의 처리 가스 공급 기구(114)는, 불순물 함유 가스 공급원(117a), 불순물 확산 촉진 가스 공급원(117b), 산화제 함유 가스 공급원(117c)을 포함하고 있다. 불활성 가스 공급 기구(115)는, 불활성 가스 공급원(120)을 포함하고 있다.
불순물 함유 가스의 일 예는 삼염화 붕소 가스, 불순물 확산 촉진 가스의 일 예는 수소 가스, 산화제 함유 가스의 일 예는 일산화 이질소 가스, 불활성 가스의 일 예는 질소 가스이다.
불순물 함유 가스 공급원(117a)은, 유량 제어기(121a) 및 개폐 밸브(122a)를 사이에 두고, 분산 노즐(123a)에 접속되어 있다. 마찬가지로, 불순물 확산 촉진 가스 공급원(117b), 산화제 함유 가스 공급원(117c)은, 유량 제어기(121b, 121c) 및 개폐 밸브(122b, 122c)를 사이에 두고, 분산 노즐(123b, 123c)에 각각 접속되어 있다.
분산 노즐(123a∼123c)은 석영관으로 이루어지며, 매니폴드(103)의 측벽을 안쪽으로 관통하여 상방향으로 굴곡되어 수직으로 연장된다. 분산 노즐(123a∼123c)의 수직 부분에는, 복수의 가스 토출공(124)이 소정의 간격을 두고 형성되어 있다. 이에 따라, 각 가스는, 가스 토출공(124)으로부터 수평 방향으로 처리실(101) 내를 향하여 대략 균일하게 토출된다.
불활성 가스 공급원(120)은, 유량 제어기(121d) 및 개폐 밸브(122d)를 사이에 두고, 노즐(128)에 접속되어 있다. 노즐(128)은, 매니폴드(103)의 측벽을 관통하고, 그 선단으로부터 불활성 가스를, 수평 방향으로 처리실(101) 내를 향하여 토출시킨다.
처리실(101) 내의, 분산 노즐(123a∼123c)과 반대측의 부분에는, 처리실(101) 내를 배기하기 위한 배기구(129)가 형성되어 있다. 배기구(129)는 처리실(101)의 측벽을 상하 방향으로 깎아냄으로써 가늘고 길게 형성되어 있다. 처리실(101)의 배기구(129)에 대응하는 부분에는, 배기구(129)를 덮도록 단면이 コ자 형상으로 성형된 배기구 커버 부재(130)가 용접에 의해 부착되어 있다. 배기구 커버 부재(130)는, 처리실(101)의 측벽을 따라서 상방으로 연장되어 있고, 처리실(101)의 상방에 가스 출구(131)를 형성하고 있다. 가스 출구(131)에는, 진공 펌프 등을 포함하는 배기 기구(132)가 접속된다. 배기 기구(132)는, 처리실(101) 내를 배기함으로써 처리에 사용한 처리 가스의 배기 및, 처리실(101) 내의 압력을 처리에 따른 처리 압력으로 한다.
처리실(101)의 외주에는 통체 형상의 가열 장치(133)가 설치되어 있다. 가열 장치(133)는, 처리실(101) 내에 공급된 가스를 활성화함과 함께, 처리실(101) 내에 수용된 피처리체, 본 예에서는 실리콘 기판(1)을 가열한다.
기판 처리 장치(100)의 각 부의 제어는, 예를 들면 마이크로 프로세서(컴퓨터)로 이루어지는 컨트롤러(150)에 의해 행해진다. 컨트롤러(150)에는, 오퍼레이터가 기판 처리 장치(100)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 터치 패널이나, 기판 처리 장치(100)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등으로 이루어지는 유저 인터페이스(151)가 접속되어 있다.
컨트롤러(150)에는 기억부(152)가 접속되어 있다. 기억부(152)는, 기판 처리 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 컨트롤러(150)의 제어로 실현시키기 위한 제어 프로그램이나, 처리 조건에 따라서 기판 처리 장치(100)의 각 구성부에 처리를 실행시키기 위한 프로그램 즉 레시피가 격납된다. 레시피는, 예를 들면, 기억부(152) 중의 기억 매체에 기억된다. 기억 매체는, 하드 디스크나 반도체 메모리라도 좋고, CD-ROM, DVD, 플래시 메모리 등의 가반성의 것이라도 좋다. 또한, 다른 장치로부터, 예를 들면 전용 회선을 통하여 레시피를 적절히 전송시키도록 해도 좋다. 레시피는, 필요에 따라서, 유저 인터페이스(151)로부터의 지시 등으로 기억부(152)로부터 읽어내어지고, 읽어내어진 레시피에 따른 처리를 컨트롤러(150)가 실행함으로써, 기판 처리 장치(100)는, 컨트롤러(150)의 제어하에서, 소망하는 처리가 실시된다.
본 예에서는, 컨트롤러(150)의 제어하에서, 예를 들면, 상기 제1∼제3 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법에 따른 처리가 순차 실시된다.
상기 제1∼제3 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법은, 도 11에 나타내는 바와 같은 기판 처리 장치(100)를 이용함으로써 실시할 수 있다.
또한, 기판 처리 장치로서는 도 11에 나타내는 바와 같은 배치(batch)식으로 한정하지 않고, 매엽식의 기판 처리 장치라도 좋다. 또한, 산화제 함유 가스 공급원(117c)은, 필요에 따라서 형성되면 좋다.
(반도체 장치의 제조 방법)
도 12a∼도 12j는 각각 반도체 장치의 제조 공정 중의 사시도이다. 도 12a∼도 12j에는 반도체 장치의 일 예로서 불휘발성 반도체 기억 장치가 나타나 있고, 부유 게이트 전극 및 제어 게이트 전극의 전형적인 제조 공정이 나타나 있다.
우선, 도 12a에 나타내는 바와 같이, 실리콘 기판(1)의 표면을 산화하여, 터널 산화막(202)을 형성한다. 이어서, 터널 산화막(202) 상에, 부유 게이트 전극이 되는 도전물, 예를 들면, 보론 함유 실리콘을 퇴적하여, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203)을 형성한다. 이어서, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203) 상에, 하드 마스크가 되는 물질, 예를 들면, 질화 실리콘을 퇴적하여, 질화 실리콘막(204)을 형성한다. 이어서, 질화 실리콘막(204) 상에, 포토레지스트를 도포하여, 포토레지스트막(205)을 형성한다. 이어서, 포토리소그래피법을 이용하여, 포토레지스트막(205)을, 소자 영역의 패턴에 대응한 패턴으로 패터닝한다.
다음으로, 도 12b에 나타내는 바와 같이, 포토레지스트막(205)을 에칭의 마스크에 이용하여, 질화 실리콘막(204), 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203), 터널 산화막(202) 및, 실리콘 기판(1)을 에칭하여, 실리콘 기판(1)에 쉘로우 트렌치(206)를 형성한다. 이에 따라, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203) 및 터널 산화막(202)은 칼럼 방향을 따라서 분리된다. 또한, 이 에칭시, 포토레지스트막(205)이 없어진 후에는, 질화 실리콘막(204)이 에칭의 마스크가 된다. 에칭이 종료되면, 도 12c에 나타내는 바와 같이, 질화 실리콘막(204)을 제거한다.
도 13a∼도 13c는, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203)이 에칭되어 가는 모습을 나타내는 사시도이다.
도 13a∼도 13c에 나타내는 바와 같이, 쉘로우 트렌치를 형성하는 에칭시, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203)은, 칼럼 방향을 따라서 에칭되어 간다. 이 에칭시, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203)의 에칭 가공면에 대하여 에천트(etchant)가 충돌하거나, 접촉하거나 하면서, 에칭이 진행된다. 이 때문에, 도 13b 및 도 13c에 나타내는 바와 같이, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203)의 에칭 가공면에는, 불순물, 본 예에서는 보론이 일실된 불순물 일실층(207)이 발생한다. 그래서, 도 12d에 나타내는 바와 같이, 에칭 가공면에 대하여 보론을 기상 확산시키고, 불순물 일실층(207)에 대하여, 보론을 기상 확산시킨다. 이 보론의 기상 확산시에, 전술한 본 발명의 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법을 적용한다. 이에 따라, 일실한 보론을, 단시간으로, 고농도로 보상할 수 있다.
다음으로, 도 12e에 나타내는 바와 같이, 실리콘 기판(1) 및 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203) 상에, 절연물, 예를 들면, 산화 실리콘을 퇴적하여, 산화 실리콘막(208)을 형성한다. 이에 따라, 쉘로우 트렌치(206)는, 산화 실리콘막(208)으로 매입된다.
다음으로, 도 12f에 나타내는 바와 같이, 산화 실리콘막(208)을 연마하여, 산화 실리콘막(208)의 표면을 후퇴시킨다.
다음으로, 도 12g에 나타내는 바와 같이, 산화 실리콘막(208)을, 추가로 에치백하여, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203)의 측면을, 산화 실리콘막(208)으로부터 노출시킨다.
다음으로, 도 12h에 나타내는 바와 같이, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203) 및 산화 실리콘막(208) 상에, 부유 게이트 전극과 제어 게이트 전극을 용량 결합시키는 게이트 간 절연막(209)을 형성한다. 이어서, 게이트 간 절연막(209) 상에, 제어 게이트 전극이 되는 도전물, 예를 들면, 보론 함유 실리콘을 퇴적하여, 제2 보론 함유 폴리실리콘막(210)을 형성한다. 이어서, 제2 보론 함유 폴리실리콘막(210) 상에, 포토레지스트를 도포하여, 포토레지스트막(211)을 형성한다. 이어서, 포토리소그래피법을 이용하여, 포토레지스트막(211)을, 제어 게이트 전극의 패턴에 대응한 패턴으로 패터닝한다.
다음으로, 도 12i에 나타내는 바와 같이, 포토레지스트막(211)을 에칭의 마스크에 이용하여, 제2 보론 함유 폴리실리콘막(210), 게이트 간 절연막(209), 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203) 및, 터널 산화막(202)을 에칭한다. 이에 따라, 제2 보론 함유 폴리실리콘막(210), 게이트 간 절연막(209), 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203) 및 터널 산화막(202)은 칼럼 방향에 대하여 교차, 예를 들면, 직교하는 로우 방향을 따라서 분리된다.
다음으로, 도 12i에 나타내는 바와 같이, 포토레지스트막(211)을 제거한다.
도 14a∼도 14c는, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203)이 에칭되어 가는 모습을 나타내는 사시도이다.
도 14a∼도 14c에 나타내는 바와 같이, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203)을, 제2 보론 함유 폴리실리콘막(210)과 자기 정합적으로 에칭할 때, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203)은, 로우 방향을 따라서 에칭되어 간다. 이때에도, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203)의 에칭 가공면에는, 불순물, 본 예에서는 보론이 일실된 불순물 일실층(212)이 발생한다. 그래서, 도 12j에 나타내는 바와 같이, 에칭 가공면에 대하여 보론을 기상 확산시키고, 불순물 일실층(212)에 대하여, 보론을 기상 확산시킨다. 이 보론의 기상 확산시에, 전술한 본 발명의 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법을 적용한다. 이에 따라, 일실한 보론을, 단시간으로, 고농도로 보상할 수 있다.
또한, 제어 게이트 전극이 되는 도전막으로서, 본 예와 같이 제2 보론 함유 폴리실리콘막(210)을 이용한 경우에는, 제2 보론 함유 폴리실리콘막(210)의 에칭 가공면에 대해서도, 보론이 기상 확산된다. 이에 따라, 제2 보론 함유 폴리실리콘막(210)에 대해서도, 일실한 보론을, 단시간으로, 고농도로 보상할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법은, 실리콘 기판(1) 상에, 도전막을 형성하고, 이 도전막을 에칭한 후, 이 도전막의 에칭 가공면에 대하여, 불순물을 기상 확산시키는 반도체 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 기상 확산 공정에 적용할 수 있다.
또한, 도 12d에 나타낸 기상 확산 공정은, 도 15에 나타내는 바와 같이, 쉘로우 트렌치(206)를, 산화 실리콘막(208)으로 매입하고, 제1 보론 함유 폴리실리콘막(203)의 측면을, 산화 실리콘막(208)으로부터 노출시킨 후에 행하는 것도 가능하다.
또한, 기상 확산 공정에는, 상기 제1∼제3 실시 형태의 외에, 후술하는 제4∼제6 실시 형태를 적용할 수 있다.
(제4 실시 형태)
도 16은 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 16에 나타내는 바와 같이, 제4 실시 형태가, 도 1 등에 나타낸 제1 실시 형태와 상이한 부분은, 스텝 3에 있어서의 승온 공정에 있어서, 불순물 확산 촉진 가스, 예를 들면, 수소 가스를 처리실 내에 공급하지 않는 것이다.
승온 공정(스텝 3)에 있어서의 불활성 가스 및, 불순물 함유 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
불순물 함유 가스(BCl3(1％)): 100sccm
또한, 기상 확산 공정(스텝 4)에 있어서의 불활성 가스, 불순물 함유 가스 및, 불순물 확산 촉진 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
불순물 함유 가스(BCl3(1％)): 100sccm
불순물 확산 촉진 가스(H2): 100sccm
제4 실시 형태와 같이, 불순물 확산 촉진 가스는, 스텝 4에 나타내는 기상 확산 공정에 있어서만, 공급하도록 해도 좋다. 이와 같이 해도, 처리실 내에는 불순물 확산 촉진 가스, 예를 들면, 수소 가스가 공급되어 있기 때문에, 불순물 확산 촉진 가스를 공급하지 않는 경우와 비교하여, 불순물, 예를 들면, 보론을, 폴리실리콘막(3) 내에, 단위 시간당보다 고농도로 확산시킬 수 있다.
(제5 실시 형태)
도 17은 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 17에 나타내는 바와 같이, 제5 실시 형태가, 도 1 등에 나타낸 제1 실시 형태와 상이한 부분은, 스텝 4에 있어서의 기상 확산 공정에 있어서, 불순물 확산 촉진 가스, 예를 들면, 수소 가스를 처리실 내에 공급하지 않는 것이다.
승온 공정(스텝 3)에 있어서의 불활성 가스, 불순물 함유 가스 및, 불순물 확산 촉진 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
불순물 함유 가스(BCl3(1％)): 100sccm
불순물 확산 촉진 가스(H2): 100sccm
또한, 기상 확산 공정(스텝 4)에 있어서의 불활성 가스 및, 불순물 함유 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
불순물 함유 가스(BCl3(1％)): 100sccm
제5 실시 형태와 같이, 불순물 확산 촉진 가스는, 스텝 3에 나타내는 승온 공정에 있어서만, 공급하도록 해도 좋다. 이 경우, 불순물 확산 촉진 가스는, 제3 실시 형태와 동일하게, 환원성 가스인 것이 바람직하다.
(제6 실시 형태)
도 18은 본 발명의 제6 실시 형태에 따른 불순물 확산 방법의 일 예를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 18에 나타내는 바와 같이, 제6 실시 형태가, 도 1 등에 나타낸 제1 실시 형태와 상이한 부분은, 불순물 함유 가스 및, 불순물 확산 촉진 가스를, 스텝 4에 있어서의 기상 확산 공정에 있어서만, 처리실 내에 공급하도록 한 것이다.
승온 공정(스텝 3)에 있어서의 불활성 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
또한, 기상 확산 공정(스텝 4)에 있어서의 불활성 가스, 불순물 함유 가스 및, 불순물 확산 촉진 가스의 공급량의 일 예는, 이하와 같다.
불활성 가스(N2): 500sccm
불순물 함유 가스(BCl3(1％)): 100sccm
불순물 확산 촉진 가스(H2): 100sccm
제6 실시 형태와 같이, 불순물 함유 가스 및, 불순물 확산 촉진 가스는, 스텝 4에 나타내는 기상 확산 공정에 있어서만 공급하도록 해도 좋다. 이 경우에 있어서도, 불순물 확산 촉진 가스를 공급하지 않는 경우와 비교하여, 불순물, 예를 들면, 보론을, 폴리실리콘막(3) 내에, 단위 시간당보다 고농도로 확산시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 몇 가지의 실시 형태에 따라 설명했지만, 본 발명은, 상기 실시 형태로 한정되는 일은 없고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형 가능하다.
예를 들면, 상기 실시 형태에 있어서는, 처리 조건을 구체적으로 예시했지만, 처리 조건은, 상기 구체적인 예시로 한정되는 것은 아니다.
불순물 함유 가스로서는, 삼염화 보론으로 한정되는 것이 아니고, 디보란(B2H6) 등도 이용할 수 있다.
또한, 산화 공정에 있어서의 산화는, 산소 가스에 의한 산화 외에, 오존 가스에 의한 오존 산화, 산소 라디칼을 이용한 라디칼 산화 중 어느 것이라도 이용할 수 있다. 마찬가지로, 질화 공정에 있어서의 질화는, 암모니아 가스에 의한 질화 외에, 암모니아 라디칼을 이용한 라디칼 질화를 이용할 수 있다. 　
그 외에, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변형할 수 있다.
1 : 실리콘 기판
2 : 실리콘 산화막
3 : 보론이 도프된 폴리실리콘막
4 : 불순물 일실층

Claims (22)

  1. 박막 중에 불순물을 확산시키는 불순물 확산 방법으로서,
    (1) 처리실에, 상기 박막이 형성된 피(被)처리체를 반입하는 공정과,
    (2) 상기 처리실 내에서, 상기 박막이 형성된 피처리체를 기상(氣相) 확산 온도까지 승온(昇溫)하는 공정과,
    (3) 상기 처리실 내에, 상기 불순물을 함유하는 불순물 함유 가스를 불활성 가스와 함께 공급하여, 상기 기상 확산 온도로 승온된 상기 피처리체에 형성된 상기 박막 중에 상기 불순물을 확산시키는 공정을 구비하고,
    상기 (3) 공정에 있어서, 상기 처리실 내에, 상기 불순물 함유 가스 및 상기 불활성 가스와 함께, 상기 박막으로의 상기 불순물의 확산을 촉진시키는 불순물 확산 촉진 가스를 동시에 공급하는 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불순물 확산 촉진 가스가, 환원 작용을 추가로 갖고 있을 때,
    상기 (2) 공정에 있어서, 상기 처리실 내에, 상기 불순물 확산 촉진 가스를 상기 불활성 가스와 함께 공급하여, 상기 피처리체에 형성된 상기 박막의 표면에 존재하는 자연 산화막을, 상기 피처리체를 승온하면서 환원하는 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (2) 공정에 있어서, 상기 처리실 내에, 상기 불순물 함유 가스를 상기 불활성 가스와 함께 공급하는 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막은, 실리콘을 포함하는 박막인 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불순물은, 보론인 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불순물 확산 촉진 가스가, 수소인 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막은 에칭 가공 또는 표면 산화된 것인 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 박막은 상기 불순물을 함유하며, 상기 에칭 가공시, 상기 에칭 가공면으로부터 일실(逸失)한 상기 불순물을, 적어도 상기 (3) 공정에 있어서 보상하는 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    (4) 상기 처리실 내에서, 상기 박막이 형성된 피처리체를 반출 가능 온도까지 강온(降溫)하는 공정을 추가로 구비하고,
    상기 (4) 공정에 있어서, 상기 처리실 내에, 산화제 함유 가스를 공급하여, 상기 불순물이 확산된 상기 박막의 표면을, 상기 피처리체를 강온하면서 산화하는 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  10. 박막 중에 불순물을 확산시키는 불순물 확산 방법으로서,
    (1) 처리실에, 상기 박막이 형성된 피처리체를 반입하는 공정과,
    (2) 상기 처리실 내에서, 상기 박막이 형성된 피처리체를 기상 확산 온도까지 승온하는 공정과,
    (3) 상기 처리실 내에, 상기 불순물을 함유하는 불순물 함유 가스를 불활성 가스와 함께 공급하여, 상기 기상 확산 온도로 승온된 상기 피처리체에 형성된 상기 박막 중에 상기 불순물을 확산시키는 공정을 구비하고,
    상기 (2) 공정에 있어서, 상기 처리실 내에, 환원 작용을 갖는 환원성 가스를 상기 불활성 가스와 함께 공급하여, 상기 피처리체에 형성된 상기 박막의 표면에 존재하는 자연 산화막을, 상기 피처리체를 승온하면서 환원하는 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (2) 공정에 있어서, 상기 처리실 내에, 상기 불순물 함유 가스를 추가로 공급하는 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 박막은, 실리콘을 포함하는 박막인 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불순물은, 보론인 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원성 가스가, 수소인 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막은, 에칭 가공 또는 표면 산화된 것인 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 박막은 상기 불순물을 함유하며, 상기 에칭 가공시, 상기 에칭 가공면으로부터 일실한 상기 불순물을, 적어도 상기 (3) 공정에 있어서 보상하는 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    (4) 상기 처리실 내에서, 상기 박막이 형성된 피처리체를 반출 가능 온도까지 강온하는 공정을 추가로 구비하고,
    상기 (4) 공정에 있어서, 상기 처리실 내에, 산화제 함유 가스를 공급하여, 상기 불순물이 확산된 상기 박막의 표면을, 상기 피처리체를 강온하면서 산화하는 것을 특징으로 하는 불순물 확산 방법.
  18. 박막 중에 불순물을 확산시키는 확산 처리에 사용 가능한 기판 처리 장치로서,
    피처리체가 반입되는 처리실과,
    상기 처리실 내에서 상기 피처리체를 가열하여, 상기 피처리체를 승온시키는 가열 기구와,
    상기 처리실 내에, 불순물을 함유하는 불순물 함유 가스와, 불활성 가스와, 불순물 확산 촉진 가스 또는 환원성 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    상기 가열 기구 및, 상기 가스 공급 기구를 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 제1항 내지 제8항, 그리고 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 불순물 확산 방법이 실행되도록, 상기 가열 기구 및, 상기 가스 공급 기구를 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 가스 공급 기구는, 상기 처리실 내에 산화제 함유 가스를 추가로 공급하고,
    상기 제어 장치는, 제9항 또는 제17항에 기재된 불순물 확산 방법이 실행되도록, 상기 가열 기구 및, 상기 가스 공급 기구를 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  20. (1) 반도체 기판 상에, 도전막을 형성하는 공정과,
    (2) 상기 도전막을 에칭하는 공정과,
    (3) 상기 도전막의 에칭 가공면에 대하여, 불순물을 기상 확산시키는 공정을 구비하고,
    상기 (3) 공정에, 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 불순물 확산 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  21. (1) 반도체 기판 상에, 터널 절연막과, 부유 게이트 전극을 구성하는 제1 도전막을 순차 형성하는 공정과,
    (2) 상기 제1 도전막, 상기 터널 절연막 및, 상기 반도체 기판을 에칭하고, 상기 반도체 기판에 쉘로우 트렌치를 형성함과 함께, 상기 제1 도전막 및 상기 터널 절연막을 제1 방향을 따라서 분리하는 공정과,
    (3) 상기 제1 방향을 따라서 발생한 상기 제1 도전막의 에칭 가공면에 대하여, 불순물을 기상 확산시키는 공정과,
    (4) 상기 쉘로우 트렌치의 내부를 소자 분리 절연물로 매입하는 공정과,
    (5) 상기 제1 도전막 및 상기 소자 분리 절연물 상에, 게이트 간 절연막이 되는 절연막과, 제어 게이트 전극을 구성하는 제2 도전막을 순차 형성하는 공정과,
    (6) 상기 제2 도전막, 상기 절연막, 상기 제1 도전막 및, 상기 터널 절연막을 에칭하여, 상기 제2 도전막, 상기 절연막, 상기 제1 도전막 및, 상기 터널 절연막을 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라서 분리하는 공정과,
    (7) 상기 제2 방향을 따라서 발생한 상기 제1 도전막의 에칭 가공면에 대하여, 불순물을 기상 확산시키는 공정을 구비하고,
    상기 (3) 공정 및 상기 (7) 공정 중 적어도 어느 한쪽의 공정에, 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 불순물 확산 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 (3) 공정은, 상기 (4) 공정의 후에 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
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