JPH03280530A - 燐ドープ多結晶シリコンの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、特に表面が平坦な燐ドープ多結晶シリコンを
得ることができるようにした燐ドープ多結晶シリコンの
形成方法に係わる。

［発明の概要］ 本発明は、燐ドープ多結晶シリコンの形成方法に係わり
、多結晶または非晶質シリコンに燐を含むガスを供給し
て上記多結晶または非晶質シリコンにプレデポジション
を行なって後またはプレデポジションを行ないつつ上記
多結晶または非晶質シリコンを９００〜１３００°Ｃで
１２００秒間〜１秒間の短時間加熱を行なって上記多結
晶または非晶質シリコンに燐のドーピングを行ない、こ
の熱処理によって生じた酸化物膜をエンチングして平坦
な燐ドープ多結晶シリコンを得るものである。

［従来の技術］ 従来の半導体装置、例えば口ＲＡＭ　（Ｄｉｎａｍｉｃ
　ＲａｎｄｏｌＩＩＡｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ　）　
、ＳＲＡＭ　（５ｔａｔｉｃ　ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓ
ｓ　Ｍｅｍｏｒｙ　）等の各種半導体装置においては、
第４図に示すようにその半導体基体例えばシリコン基体
（１）上に形成したＳｉｎｇ等の表面絶縁層あるいはゲ
ート絶縁層等の絶縁層（２）上に不純物例えば燐が１０
１ｍ〜１０”／ｃｊの濃度でドープされて低比抵抗化さ
れた多結晶シリコン層（３）がそのゲート電極、あるい
はキャパシタの電極、さらにあるいは配線導電層として
形成することが行われる。この種の燐ドープ多結晶シリ
コンの形成方法としては不純物が含まれない真性の多結
晶シリコン層あるいは真性の非晶質シリコン層を形成し
、これに対して燐を含むガス例えばＰＯＣｊ２ｓや燐の
ハロゲン化物をプレデポジションし、これと同時にある
いはその後のアニールによって不純物のドライブインを
行って活性化するという第１の方法、あるいは多結晶シ
リコン層を生成して後これに燐イオンのｐ＋、　ｐ＋＋
等をイオン注入し、その後アニールすることによって燐
ドープ多結晶シリコン層を形成する第２の方法、さらに
あるいは燐がドープされた多結晶シリコン層もしくは非
晶質シリコン層を低圧気相成長後（ＬＰ−ＣＶＤ）法で
直接性成するという第３の方法が一般に採られる。

これら第１〜第３の方法は、半導体装置の製造過程にお
ける諸条件から使い分けられているが、上述したゲート
電極、キャパシタ電極、配線等においては、しばしばｐ
ｏｃ　ｚ　、によるプレデポジション法による第１の方
法が広く用いられる。この場合、そのプレデポジション
に当っであるいはその後に加熱炉によるいわゆるファー
ネスアニールによって比較的低い８５０℃〜９００　’
Ｃ程度の加熱温度で４０分間〜６０分間という長時間の
熱処理を行うという方法が一般的に採られる。これはこ
の燐ドープ多結晶シリコン層を形成する基体（１）にお
いてすでに形成されている不純物拡散領域等における濃
度プロファイルに変更を与えないように低温化が求めら
れていることに対処して低温長時間加熱によるデポジシ
ョン方法が採られている。

ところが、このような方法による場合しばしばその多結
晶層シリコン層（３）に第４図に示すように大きな結晶
粒による突起（４）が発生して表面の平坦化が阻害され
る。そのため、この上にさらに層間絶縁層を介して他の
金属例えばＡｌ配線層等を形成する場合、その層間絶縁
層に突起（４）の存在による欠陥が発生したり、さらに
これの上に形成するＡｌ配線層等に段切れが生じ、多結
晶シリコン層（３）による電極ないしは配線と上層の例
えばＡｌ配線層との耐圧が低下するとか、短絡事故を来
すとか、また上層の例、えばＡＩ！配線層自体番二段切
れが発生するなど信頼性の低下を来す。

尚、このような突起（４）が生じるのは、結晶粒界酸化
による応力によって生じるものと思われる。

したがって、このような突起（４）の発生による信軌性
の低下、不良品の発生率を改善するために半導体集積回
路等における燐ドープ多結晶シリコンの形成に当っては
、突起（４）の発生が回避できる上述した第２あるいは
第３の方法が適用されるなどの改善策が採られるもので
あるが、イオン注入法による場合イオン注入に際しての
ダメージの問題があり、また第３の方法による場合は例
えば限定された位置に不純物導入を行うとか高比抵抗の
多結晶シリコン層を部分的に形成しようとする場合等に
おいて工程数が増加するなどの不都合がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、プレデポジション法による燐ドープ多結晶シ
リコンの形成方法において、上述した突起の発生を効果
的に回避し、しかも下地基体の濃度プロファイル等に変
化が生じないようにすることができる燐ドープ多結晶シ
リコンの形成方法を提供する。

因みに、例えば、ポリシリコンにおける熱酸化膜におい
て上述した突起の発生が生じることの究明及びその対処
については例えば電子情報通信学会技術報告ＳＤＭ８９
−７７の第２３頁〜第２７頁等にその報告があるように
熱酸化において低温処理によって多結晶シリコンに突起
が生じてくる。

本発明においては、燐ドープ多結晶シリコンを、燐を含
むガス例えばｐｏｃｌ、あるいは酸素を含む雰囲気中で
のプレデポジションあるいはアニール処理を施すという
工程をとることによって上述した技術報告に見られる突
起の発生が生しるものであることを究明し、この突起の
発生の回避をはかるものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、第１図にその工程図を示すように、多結晶ま
たは非晶質シリコン（１３）に、燐を含むガスを供給し
て多結晶または非晶質シリコン（１３）にプレデポジシ
ョンを行なって後またはプレデポジションを行ないつつ
多結晶または非晶質シリコン（１３）を９００℃〜１３
００℃で１２００秒間〜１秒間の短時間加熱を行なって
多結晶または非晶質シリコンに燐のドーピングを行ない
、この熱処理によって生じた燐を含む酸化物膜（２４）
をエツチングして表面が平坦な燐ドープ多結晶シリコン
を得る。

［作　用コ 上述の本発明方法においては、その多結晶または非晶質
シリコンに燐を含むガスを供給して燐のプレデポジショ
ンを行って燐ドープ多結晶シリコンを得るものであるが
、この場合において特にそのアニールの加熱温度を９０
０℃〜１３００°Ｃという高温°によって１２００秒間
〜１秒間という短時間の加熱処理を行うようにしたこと
によって、第４図で説明した突起（４）の発生が抑制さ
れ最終的に平坦な燐ドープの多結晶シリコン膜を得るこ
とができた。また、この短時間加熱によったことによっ
て下地基体（１）における濃度プロファル等に変化が発
生することも回避されることが確認された。

また、燐を含む酸化膜（２４）は吸湿性が大であること
からこれを除去して吸湿による特性変動、劣化などの不
都合を回避する。

［実施例］ 本発明による燐ドープ多結晶シリコンの形成方法の一実
施例を第１図の工程図を参照して詳細に説明する。

第１図の例においては、それぞれ所定のパターンに各種
半導体素子が形成された例えば単結晶シリコンより成る
基体（］）上に例えば表面絶縁層あるいはゲート絶縁層
等としての例えば５ｉ０２よりなる絶縁Ｎ（２）が形成
されてなり、これの上に燐ドープの多結晶シリコンの形
成を行わんとする場合である。この場合絶縁層（２）上
に不純物を含まないすなわち真性の多結晶シリコン層ま
たは非晶質シリコン（１３）を例えば周知の技術例えば
ＬＰ−ＣＶＤ法によって所要の厚さに堆積生成する。そ
して、これを第２図にその燐ドープ多結晶シリコン形成
装置の一例の路線的断面図を示すように、光透過性の炉
（１１）中にローダ（１２）上に多結晶または非晶質５
ｉ（１３）を有する基体（１）を載せて導入する。炉（
１１）には不純物特に燐を含むガスの例えばｐｏｃｚ、
を１〜１０００ＳＣＣＭを持ってＮ！キャリアガスをＰ
ＯＣｌ　ｓの液体中にバブリングさせて１〜５００ＳＬ
Ｍ（毎ｆ／ｓ＋ｉｎ）の流量をもって０□ガス１〜５０
０ＳＬＭと共に導入する。そして、例えば炉（１１）外
に設けたＲＴＡ　（Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｎ
ｎｅａｌ）手段すなわち高速加熱手段例えばハロゲンラ
ンプ、赤外線ランプ等のランプアニール手段（１４）か
らの光照射による高温の９００°Ｃ−１３００°Ｃをも
って短時間の１２００秒（２０分）〜１秒間の短時間加
熱を行う。

このようにすると、この加熱特に１１２０°Ｃ以上の加
熱ではＳｉｎ、とＰ２Ｏ，の液相及び固相の中間相が良
好に生してこれが基体（１）の多結晶または非晶質シリ
コン（１３）上に供給され、デポジションと同時に液相
拡散が多結晶または非晶質シリコン（１３）中に形成さ
れ、第１図Ｂに示すように多結晶または非晶質シリコン
（１３）に燐ドープがなされた燐ドープ多結晶シリコン
（２３）が生じ、さらにこれと同時にＳｉＯ□酸化膜（
２４）が生成することになる。

その後、第１図Ｃに示すように、酸化膜（２４）を、Ｓ
ｉＯ□とＳｉに対して等価的エツチングを行い得る例え
ばＣＦａと０□との混合ガスによる反応性イオンエツチ
ングＲＩＥより、更にいわゆるダウンフローエツチング
を行って除去する。このようにすると、平坦な燐ドープ
多結晶シリコン（２３）が生成される。

尚、この方法において多結晶または非晶質シリコン（１
３）におけるデポジション時の加熱プロファイルは、第
３図Ａに示すように時点ｔ０で炉（１１）中にローダ（
１２）によって基体（１）が持ち来されてセットされ、
時点ｔ、で炉（１１）すなわちデポジション処理室内に
多結晶または非晶質シリコン（１３）を有する基体（１
）がセットされ、ランプアニールによって加熱が開始さ
れてｔｚ時に所要の温度Ｔ、すなわちＴ＝９００℃〜１
３００℃に保持され、２０分（１２００秒）間から１秒
間例えば９００℃においては２０分間、１３００℃にお
いては１秒間程度の熱処理がｔ８時まで保持され、その
後ランプアニールを停止することによって降温が生じて
ｔ４時において基体（１）が炉（１１）から導出される
ようになされる。一方、不純物源の例えばＰＯＣｌ３ガ
スは第３図Ｂに示すように時点ｔ、において導入開始が
なされ、ｔ、においてその送給が停止されるようになさ
れ、キャリアガスは第３図Ｃに示すように時点ｔ０から
時点ｔ１まで所要の流量をもって炉（１１）内が一定に
保持されるようになされ、時点ｔ１で所要の流量すなわ
ち上述したＮ２及びｏ２が１〜５００ＳＬＭに保持され
るようになされ、時点ｔ４まで保持されるようになされ
る。

尚、本発明においてそのアニール温度を９００〜１３０
０″Ｃに選定する理由は、９００°Ｃ未満では第４図で
説明した突起（４）の発生が生して（ること、また比較
的長時間の加熱を要してスループットの低下を招来する
こと、また１３００℃を越えると実際上これ以上の高温
の加熱をＰＴＡをもって行い難いと共にそのアニール時
間があまりに短時間となることによって制御性が難しく
なってくることによる。

尚、上述した例においては液相拡散がプレデポジション
と同時に生ずるようにした場合であるが、ある場合は不
純物のプレデポジションを行って後上述した９００℃〜
１３００℃、２０分〜１秒間の短時間加熱によって拡散
を行うようにすることもできる。

また、燐ドープの不純物ガスとしては上述したＰＯＣｊ
２３に限らずＰのハロゲン化物例えばＰＢｒ３あるいは
発ガン性を有することからその使用は好ましくないがｐ
ｃｚ、等を用い得るものであり、この場合においてもキ
ャリアガスとして０２を含むために酸化膜の生成さらに
結晶粒界酸化による応力によって突起が生じる恐れがあ
るものの、本発明方法による時はこの改善がはかれる。

［発明の効果］ 上述したように本発明によれば、高温短時間のアニール
処理によるプレデポジションを適用したことによって燐
ドープ多結晶シリコンにおいて結晶粒界酸化の応力によ
る突起の発生が効果的に回避されるものであり、平坦な
例えば１０１１１〜５×１０２０程度の燐ドープがなさ
れた低比抵抗の表面が平坦な燐ドープ多結晶シリコンを
得ることができ、半導体装置例えば半導体集積回路にお
けるゲート電極あるいはキャパシタ電極、その他者種電
極、配線等に適用することができる。そしてその突起の
発生が回避されたことによってこれの上に形成される眉
間絶縁層さらには層間絶縁層を介して形成される金属配
線等に段切れや耐圧の低下等を来し、信軌性の低下を来
すような不都合が効果的に回避され、さらにプレデポジ
ション法による燐ドープ多結晶シリコンの形成態様をと
ることによって製造工程の簡易化、さらに信軌性及び量
産性の向上をはかることができる。

また、本発明によれば高温加熱によるものの極めて短時
間による加熱によるために多結晶シリコンの下地基体（
１）における不純物濃度のプロファイルに変動を来すこ
とがな（確実に設計通りの目的とする半導体装置を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燐ドープ多結晶シリコンの形成方
法の工程図、第２図はその燐ドープ作業に用いる装置の
路線的構成図、第３図は燐ドープ作業の説明図、第４図
は従来方法による多結晶シリコンの断面図である。 （１）は基体、（２）は絶縁層、（１３）は多結晶また
は非晶質シリコン、（２３）は燐ドープ多結晶シリコン
、（２４）は酸化膜である。 代 理 人 松 隈 秀 盛 １５９−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　多結晶または非晶質シリコンに、燐を含むガスを供給
   して上記多結晶または非晶質シリコンにプレデポジショ
   ンを行なって後またはプレデポジションを行ないつつ上
   記多結晶または非晶質シリコンを９００℃〜１３００℃
   で１２００秒間〜１秒間の短時間加熱を行なって上記多
   結晶または非晶質シリコンに燐のドーピングを行ない、 この熱処理によって生じた酸化物膜をエッチングして平
   坦な燐ドープ多結晶シリコンを得ることを特徴とする燐
   ドープ多結晶シリコンの形成方法。