JPH06120150A - 薄膜の処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄膜に対して均一性の高い表面処理を行うこ
と。 【構成】 モノシランガスを反応管内に供給すると共
に、反応管内の温度を６２０℃以上または５８０℃以下
に設定してウエハ上にシリコン層を成膜する。シリコン
層は６２０℃以上では多結晶状態であり、５８０℃以下
ではアモルファス状態である。従って５８０〜６２０℃
の温度範囲ではアモルファス状態と多結晶状態とが共存
しているが、この温度範囲を外せば固相状態が均一であ
って、表面の平滑性の均一性が良くなる。シリコン層上
にフォスフィンガスによりリン吸着層を形成し、温度条
件とリン吸着量との関係を、ウエハの高さ位置をパラメ
ータとしてグラフ化すると、図２に示すようになる。こ
の結果上述の温度範囲を外してシリコン層を形成すれ
ば、面内、面間の表面状態が均一になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜の処理方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】半導体
デバイスにおいて、ポリシリコン膜はＤＲＡＭの電極層
などをはじめ広範囲に用いられており、信頼性の高い材
料として不可欠なものとなっている。ここに半導体デバ
イスの高集積化に伴い、デバイスの構造が複雑化すると
共に、酸化膜や電極膜などにおける特性、あるいは膜厚
などに対して厳しい要求がされており、このためポリシ
リコン膜についても同一ウエハ内及びウエハ間における
膜厚の均一性や不純物濃度の均一性をより一層向上させ
なければならない。

【０００３】このようなことから処理装置の構造やガス
の供給方法について種々の改良がなされているが、一方
において量産性を向上させるために一バッチあたりの処
理枚数が増えてきており、このため例えば縦型熱処理装
置にて、ポリシリコン膜を成膜し更にこの表面に不純物
を含む化合物層例えばＰＯＣｌ_３層を形成した後熱処理
により化合物層内の不純物を拡散したポリシリコン膜を
得る場合、ポリシリコン膜の膜厚や不純物濃度について
面内均一性（高さ位置の異なるウエハ間における均一
性）、及び異なるバッチ間における均一性を得ることが
難しく、ウエハの歩留まり低下の一因となっている。

【０００４】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、薄膜の表面処理を行う場合例
えば薄膜の表面に、拡散すべき不純物を含む層を形成し
たりあるいはエッチングなどを行う場合、同一被処理体
上において及び異なる被処理体間において均一性の高い
表面処理を行うことのできる薄膜の処理方法を提供しよ
うとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、薄膜に対して
上述のような表面処理が薄膜の表面状態によって左右さ
れる点に着目し、薄膜の主成分のアモルファス状態と多
結晶状態とが混在している場合には固相状態が不均一で
あるため薄膜の表面の平滑性が同一バッチ間においても
異なることを把握し、このためアモルファス状態になる
温度と多結晶状態になる温度との境界温度領域を外した
温度領域にて薄膜を成膜しようとする方法である。

【０００６】具体的に本発明は、薄膜の主成分を含む成
膜ガスを被処理雰囲気に供給して被処理体上に薄膜を成
膜し、その後前記薄膜の表面に対して処理を行う方法に
おいて、前記薄膜の主成分の全部または略全部がアモル
ファス状態になる温度の上限値をＴ_１、前記薄膜の主成
分の全部または略全部が多結晶状態となる温度の下限値
をＴ_２とすると、前記薄膜の成膜工程を、被処理雰囲気
の温度をＴ_１以下またはＴ_２以上に設定して行うことを
特徴とする。

【０００７】そして薄膜がシリコンよりなるものである
場合には、薄膜の成膜工程を、被処理雰囲気の温度を５
８０℃以下または６１０℃以上に設定する。

【０００８】

【作用】例えばシラン系のガスを被処理雰囲気に供給す
ると共に、被処理雰囲気の温度を６２０℃以上または５
８０℃以下に設定して被処理体上に成膜を行うと、温度
が６２０℃以上の時多結晶状態または温度が５８０℃以
下の時アモルファス状態の薄膜が得られる。これら薄膜
の表面は固相状態が均一であるため表面の平滑性の均一
性が良く、従ってその後薄膜の表面に例えば不純物を含
む化合物層あるいは不純物層を形成し更に当該不純物を
薄膜内に拡散する場合、各被処理体間における薄膜中の
不純物濃度の均一性が高いし、あるいは薄膜の表面をエ
ッチングする場合などにおいても、各被処理体間におい
て均一性の高い表面処理を行うことができる。

【０００９】

【実施例】図１は本発明方法を実施するための成膜装置
の一例を示す縦断側面図である。加熱炉１はベースプレ
ート１０上に設置されており、金属板１１の内面に積層
された断熱層１２の内周面に、後述の反応管を囲統する
ようにヒータ１３を設けて構成される。

【００１０】前記加熱炉１内には、例えば石英からな
る、上端が閉じている外筒２１と、この外筒２１内に同
心状に配置された例えば石英からなる内筒２２とを備え
た、被処理雰囲気を形成する２重管構造の反応管２が設
けられている。

【００１１】前記外筒２１及び内筒２２は、各々その下
端にてステンレス等からなる筒状のマニホールド３に保
持されており、このマニホールド３は前記ベースプレー
ト１０の開口部に挿入された状態で固定されている。前
記マニホールド３の下端開口部には、当該開口部を気密
に封止するためのキャップ部３１が開閉自在に設けられ
ている。

【００１２】前記キャップ部３１の中心部には、例えば
磁気シールにより気密な状態で回転可能な回転軸３２が
挿通されており、回転軸３２の下端は昇降台４の図示し
ない回転機構に接続されると共に、上端はターンテーブ
ル３３に固定されている。前記ターンテーブル３３の上
方側には、保温筒３４を介してウエハボート５が搭載さ
れており、このウエハボート５は、例えば１５０枚の半
導体ウエハＷを所定の間隔で積み重ねて収容できるよう
になっている。

【００１３】前記昇降台４は、昇降軸４１に沿って昇降
し、ウエハボート５を反応管２内に対してロード、アン
ロードする役割をもつものである。

【００１４】前記マニホールド３の下部側面には、成膜
用ガス例えばモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスやジシランガ
ス（Ｓｉ_２Ｈ_６）ガスを例えばヘリウムガスなどのキャ
リアガスと混合して反応管２内に導入するための第１の
ガス導入管６１及び第２のガス導入管６２が挿設されて
おり、これらガス導入管６１、６２は共通の図示しない
ガス供給源に接続されている。そして第１のガス導入管
６１は、ガス流出口がウエハボート５の上部に位置する
ように上方に向けてＬ字状に曲折されると共に、第２の
ガス導入管６２はガス流出口がウエハボート５の下端部
付近に位置するように同様にＬ字状に曲折されている。
このように成膜用ガスの導入管を長短２本の構造とする
ことにより、成膜用ガスをウエハボート５上の各ウエハ
Ｗに対してより均一に供給することができる。

【００１５】また前記マニホールド３の下部側面には、
ドープ用ガス例えばフォスフィン（ＰＨ_３）をヘリウム
ガスなどのキャリアガスと混合して反応管２内に導入す
るための第３の導入管７が水平に挿設されている。

【００１６】一方前記マニホールド３の上部側面には、
外筒２１と内筒２２との間隙から処理ガスを排出して反
応管２内を所定の減圧雰囲気に設定するための、図示し
ない真空ポンプに連結された排気管８が接続されてい
る。

【００１７】次に上述の成膜装置を用いた本発明方法の
実施例について説明する。先ずヒータ１３により、ウエ
ハボート５のセンター部（上下方向の中央部）の温度が
例えば６２０℃となるように反応管２内の被処理雰囲気
を加熱しておいて、反応管２内に下方開口部から昇降台
４により、例えば４．７６ｍｍのピッチで１００枚のウ
エハＷを収容したウエハボート５をロードする。

【００１８】次に反応管２内を所定の真空度例えば１×
１０^−３Ｔｏｒｒまで真空引きした後に第２のガス導入
管６２（短い方のガス導入管）から薄膜の主成分を含む
成膜用ガスである１００％のモノシランガスを１８０Ｓ
ＣＣＭの流量で内筒２２内に導入すると共に、反応管２
内を０．４Ｔｏｒｒの圧力となるように排気を行い、ウ
エハボート５を例えば３ｒｐｍの回転数で回転させなが
ら１０分間成膜を行う。

【００１９】続いてモノシランガスの供給を止め、反応
管２内のガス（モノシランガス）を排出するために、排
気管８に接続された図示しない真空ポンプにより例えば
３０秒間程度真空引きする。

【００２０】しかる後第３のガス導入管７からドープ用
ガスである例えばフォスフィンガスをヘリウムガスで１
０％に希釈した混合ガスを１００ＳＣＣＭの流量で内筒
２２内に導入すると共に、反応管２内を０．５Ｔｏｒｒ
の圧力となるように排気を行い例えば１分間処理を行
う。

【００２１】このような処理を行うことによってウエハ
Ｗの表面にシリコン層及びリン吸着層がこの順に形成さ
れる。ここで上述の処理において、シリコン層の成膜工
程における被処理雰囲気の温度、この例ではウエハボー
ト５のセンター部の温度を６２０℃に設定する代りに、
６１０℃、６００℃、５９５℃、５９０℃、５８０℃の
５通りに設定し、他の条件は全く同様にしてウエハＷの
表面にシリコン層及びリン吸着層をこの順に形成した。
そしてウエハボート５上におけるウエハＷ群のうち最上
段、中央、最下段に置かれているウエハＷの位置を夫々
トップ部、センター部、ボトム部とすると、これら３ヶ
所に位置するウエハＷについて、成膜工程の温度とリン
吸着量（リン吸着層の量）との関係を調べたところ図２
に示す結果が得られた。図２中□印、△印、○印で示す
グラフは夫々トップ部、センター部、ボトム部に対応す
る。

【００２２】図２の結果からわかるように、５８０〜６
１０℃の間にて設定された温度条件ではウエハボート５
上のウエハＷの高さ位置によってリンの吸着量が大きく
異なっているが、５８０℃、６１０℃及び６２０℃の温
度条件においては、ウエハＷの各高さ位置（トップ部、
センター部、ボトム部）におけるリンの吸着量が揃って
いる。

【００２３】更に上述のように設定したシリコン層の成
膜工程の温度範囲の高温側について、反応管２内の圧力
を０，６Ｔｏｒｒ及び０，８Ｔｏｒｒに設定してリンの
吸着量の面間（トップ部、センター部、及びボトム部
間）のばらつきを調べたところ、夫々図３の（Ａ）及び
（Ｂ）に示す結果が得られた。この結果からわかるよう
に成膜工程の温度が６２０℃では面間におけるリンの吸
着量が揃っているが、６１０℃ではばらつきが大きい。
一方図２に示したように反応管２内の圧力が０，４Ｔｏ
ｒｒの場合には前記温度が６１０℃ではリンの吸着量が
揃っていたが、図３、図４の結果と併せて考察すると、
前記温度が６２０℃以上のときにウエハの表面状態が安
定して表面の平滑性の均一性がよくなり、リンの吸着量
の面間均一性を確保できると考えられる。

【００２４】このような現象は、次のように推察され
る。即ちシリコン層の成膜工程の温度が５８０℃以下で
は表面はアモルファス状態、６２０℃以上では多結晶状
態である。ここにアモルファスシリコン膜は平滑な表面
状態であり、一方ポリシリコン膜は細かい凹凸がある
が、凹凸の均一性がよく、従って５８０〜６２０℃の温
度範囲ではそれら２つの状態が共存し、このためシリコ
ン層の表面がウエハ毎に不均一になって、リンの吸着量
にばらつきが出てくると推察される。また前記温度が６
００℃及び６２０℃におけるシリコン層の表面を夫々Ｓ
ＥＭ写真で観察したところ、前者については表面の平坦
性に差があるが、後者については表面の平滑性が均一で
あり、この結果からも上述の推察が正しいことが裏付け
られている。

【００２５】以上のことからシリコン層の表面状態を面
間で均一にするためには、成膜温度を５８０℃以下また
は６２０℃以上とすることが必要であり、これによって
例えばシリコン層の表面にリンを吸着した場合に、面間
におけるリンの吸着量を均一にすることができ、従って
その後リン吸着層からシリコン層内にリンを拡散したと
きに面間におけるリン濃度の均一性を確保することがで
きる。これに対しリンの吸着量が不均一であれば、リン
濃度は面間においてばらつきを生じる。

【００２６】そして前記温度が５８０℃及び６２０℃の
場合について夫々シリコン層の成膜速度を計測したとこ
ろ、５オングストローム／分及び２５オングストローム
／分であり、従ってスループット向上の点からすれば、
成膜工程の温度は６２０℃以上とすることが得策であ
る。なお成膜速度の計測時間は、シリコン層の成膜開始
時点からリン吸着層の形成終了時点までのトータル時間
としている。

【００２７】次に上述実施例と同様に成膜工程の温度を
６２０℃に設定してシリコン層を形成し、その後排気、
リン吸着層形成の各工程を経た後フォスフィンガスの供
給を止め、反応管２内のガスを排出するために例えば３
０秒間程度真空引きし、続いて第１のガス導入管６１及
び第２のガス導入管６２からモノシランガスを夫々１０
０ＳＣＣＭ及び８０ＳＣＣＭの流量で内筒２２内に導入
すると共に反応管２内を０，４Ｔｏｒｒの圧力となるよ
うに排気を行い、例えば１０分間成膜を行う。更にその
後反応管２内を上述のように３０秒間程度真空引きす
る。

【００２８】そしてリン吸着層形成工程以後の各工程、
即ちリン吸着層形成→排気→シリコン層形成→排気を２
０回繰り返して図４に示すようにシリコン層９１とリン
吸着層９２と交互に積層した積層体９が得られた。しか
る後反応管２内を窒素ガス（Ｎ_２ガス）雰囲気下で９０
０℃に加熱して、上述の積層体９に対してアニール処理
を６０分間行ったところリン濃度が２×１０^２０個／Ｃ
Ｃ、膜厚が４０００オングストロームのシリコン薄膜が
得られた。

【００２９】この薄膜についてリン濃度の面間均一性
（ウエハボート５に積み重ねられたウエハＷ間の均一
性）を調べたところ、５％前後であり、良好な結果が得
られた。このことはシリコン層の表面状態について面間
均一性が高いため、リンの吸着量についても面間均一性
が高いことに基ずくものであるといえる。

【００３０】そして上述のようにシリコン層とリン吸着
層とを交互に形成し、その後アニール処理をして、リン
をドープしたシリコン層を得るようにすれば、シラン系
のガスとフォスフィンガスとを同時に反応管内に導入し
て成膜を行う場合に比べて、薄膜の膜厚における面内均
一性が良好であり、成膜速度も可成り早い。従って本発
明方法をこうした成膜法に適用すれば、実用上非常に有
効である。

【００３１】以上において本発明は、シリコン層におけ
る他の表面処理を行う場合にも適用でき、例えばシリコ
ン層にＰＯＣｌ_３層を形成した後リン拡散を行う場合に
リン濃度の面間均一性を高めることができるし、またシ
リコン層をエッチングする場合にも加工状態の面間均一
性を向上させることができる。

【００３２】なお本発明において、薄膜の主成分はシリ
コンに限定されるものではない。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、薄膜の主成分の全部ま
たは略全部がアモルファス状態になる温度領域あるいは
薄膜の主成分の全部または略全部が多結晶状態になる温
度領域で薄膜を成膜しているため、例えばシリコン膜の
場合５８０℃以下、あるいは６２０℃以上で成膜してい
るため、薄膜の表面の平滑性の均一性が高く、表面状態
が常に揃っており、従って同一バッチ内あるいは異なる
バッチ間において薄膜の表面状態が均一であり、この結
果不純物の拡散やエッチングなどの表面処理についても
均一化をはかることができ、常に安定した表面処理を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で用いる装置の一例を示す縦断
側面図である。

【図２】成膜工程の温度とリン吸着量との関係を示す特
性図である。

【図３】成膜工程の温度とリン吸着量との関係を示す特
性図である。

【図４】熱処理前の積層体を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 加熱炉 ２ 反応管 ３ マニホールド ４ 昇降台 ５ ウエハボート ６１、６２、７ ガス導入管 ８ 排気管 ９１ シリコン層 ９２ リン層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 勝弥 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝多摩川工場内 (72)発明者 新納 礼二 東京都新宿区西新宿２丁目３番１号 東京 エレクトロン株式会社内 (72)発明者 藤田 義幸 東京都新宿区西新宿２丁目３番１号 東京 エレクトロン株式会社内 (72)発明者 鈴木 博 岩手県江刺市岩谷堂字松長根52番地 東京 エレクトロン東北株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄膜の主成分を含む成膜ガスを被処理雰
   囲気に供給して被処理体上に薄膜を成膜し、その後前記
   薄膜の表面に対して処理を行う方法において、 前記薄膜の主成分の全部または略全部がアモルファス状
   態になる温度の上限値をＴ_１、前記薄膜の主成分の全部
   または略全部が多結晶状態となる温度の下限値をＴ_２と
   すると、前記薄膜の成膜工程を、被処理雰囲気の温度を
   Ｔ_１以下またはＴ_２以上に設定して行うことを特徴とす
   る薄膜の処理方法。
2. 【請求項２】 被処理体上にシリコンよりなる薄膜を成
   膜した後、当該薄膜の表面に対して処理を行う方法にお
   いて、 前記薄膜の成膜工程を、被処理雰囲気の温度を５８０℃
   以下または６２０℃以上に設定して行うことを特徴とす
   る薄膜の処理方法。