ポリシリコン膜の形成方法
【課題】微細な結晶粒を有する、リンまたはボロンがドープされたポリシリコンを形成すること。
【解決手段】反応管１０内に複数のウエハＷを搭載したウエハボート２０を搬入し、ウエハＷを減圧雰囲気下で加熱しながら、シリコン成膜用ガスと、リンまたはボロンを膜中にドープするためのガスと、ポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含む粒径調整用ガスとを反応管１０内に導入し、ウエハ上にリンまたはボロンがドープされたアモルファスシリコン膜を成膜し、その後、アモルファスシリコン膜を熱処理して、リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成する。
【解決手段】反応管１０内に複数のウエハＷを搭載したウエハボート２０を搬入し、ウエハＷを減圧雰囲気下で加熱しながら、シリコン成膜用ガスと、リンまたはボロンを膜中にドープするためのガスと、ポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含む粒径調整用ガスとを反応管１０内に導入し、ウエハ上にリンまたはボロンがドープされたアモルファスシリコン膜を成膜し、その後、アモルファスシリコン膜を熱処理して、リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理基板上にリンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは種々の薄膜が積層されて構成されており、そのような薄膜としてリン（Ｐ）やボロン（Ｂ）をドープしたポリシリコン膜が用いられている。このようなドープされたポリシリコン膜は抵抗素子、ゲート、配線などとして用いられている。
【０００３】
このようなドープされたポリシリコンは、制御性に優れ、またイオン打ち込みのような基板の損傷がないことから、減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)が広く利用されている。
【０００４】
減圧ＣＶＤによるリンドープポリシリコン膜の成膜には、従来、縦型熱処理装置が多用されている。この縦型熱処理装置によるリンドープポリシリコンの成膜は、ウエハボートに多数枚の半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）を載せて反応管内に搬入し、反応管内の温度を例えば５９０℃以上に設定するとともに、例えばモノシラン（ＳｉＨ4 ）ガスおよびフォスフィン（ＰＨ3 ）ガスを反応管内に導入し、反応管内を所定の真空度に維持しながら行われる（例えば特許文献１）。また成膜ガスとしてモノシランガスの代りにジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）ガスを用い、例えば５８０℃以下の温度でリンをドープしたアモルファスシリコン膜を成膜し、この薄膜を例えば６００〜１０００℃程度の温度でアニールしてポリ化する方法も用いられている（例えば特許文献２）。
【０００５】
ところで、近時、半導体デバイスのデザインルールは益々微細化されており、パターンを形成する際に極めて高い加工精度が要求されている。しかしながら、上記技術により成膜されたリンドープポリシリコン膜の場合、結晶粒径が３００ｎｍ程度が限界であり、要求される微細加工に対応することが困難になりつつある。
【特許文献１】特開平９−１２９５６２号公報
【特許文献２】特開平７−８６１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、微細な結晶粒を有する、リンまたはボロンがドープされたポリシリコンを形成することができるポリシリコン膜の形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜の形成方法であって、反応容器内に被処理基板を配置し、被処理基板を減圧雰囲気下で加熱しながら、シリコン成膜用ガスと、リンまたはボロンを膜中にドープするためのガスと、ポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含む粒径調整用ガスとを前記反応容器内に導入し、被処理基板上にリンまたはボロンがドープされたアモルファスシリコン膜を成膜し、その後、前記アモルファスシリコン膜を熱処理して、リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成することを特徴とするポリシリコン膜の形成方法を提供する。
【０００８】
本発明の第２の観点では、リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜の形成方法であって、反応容器内に被処理基板を配置し、被処理基板を減圧雰囲気下で加熱しながら、シリコン成膜用ガスと、リンまたはボロンを膜中にドープするためのガスと、ポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含む粒径調整用ガスとを前記反応容器内に導入し、被処理基板上にリンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を成膜することを特徴とするポリシリコン膜の形成方法を提供する。
【０００９】
上記第１、第２の観点において、前記シリコン成膜用ガスは、シラン系ガスを用いることができる。また、前記粒径調整用ガスのポリシリコン結晶の微細化を促進する成分は炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）から選択される少なくとも１種であることが好ましく、前記粒径調整用ガスは、Ｃ含有ガス、Ｎ含有ガス、Ｏ含有ガスのいずれかを用いることができる。これらの中ではＣ含有ガスが好ましい。前記粒径調整用ガスは、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガス、ＮＨ３ガスの１種以上であることが好ましく。これらの中ではＣ含有ガスであるＣ２Ｈ４ガスが最も好ましい。さらに、形成されたポリシリコン膜のポリシリコン結晶の粒径が平均粒径で、１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含む粒径調整用ガスを導入しながら成膜を行うので、微細な結晶粒を有する、リンまたはボロンがドープされたポリシリコンを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す縦断面図である。成膜装置１は、天井部を備えた筒状の断熱体３と、断熱体３の内周面に設けられたヒータ４とを有する加熱炉２を備えている。加熱炉２は、ベースプレート５上に設置されている。
【００１３】
加熱炉２内には、例えば石英からなる、上端が閉じている外管１１と、この外管１１内に同心状に設置された例えば石英からなる内管１２とを有する２重管構造をなす反応容器である反応管１０が挿入されている。そして、上記ヒータ４は反応管１０の外側を囲繞するように設けられている。
【００１４】
上記外管１１および内管１２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１３に保持されており、このマニホールド１３の下端開口部には、当該開口を気密に封止するためのキャップ部１４が開閉自在に設けられている。
【００１５】
キャップ部１４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１５が挿通されており、回転軸１５の下端は昇降台１６の回転機構１７に接続され、上端はターンテーブル１８に固定されている。ターンテーブル１８には、保温筒１９を介してウエハ保持具である例えば石英製のウエハボート２０が搭載され、このウエハボート２０は、例えば５０〜１５０枚のウエハＷを所定間隔のピッチで積み重ねて収容できるように構成されている。そして、昇降機構（図示せず）により昇降台１６を昇降させることにより、ウエハボート２０を反応管１０内へ搬入搬出可能となっている。ウエハボート２０を反応管１０内に搬入した際に、上記キャップ部１４がマニホールド１３に密接し、その間が気密にシールされる。
【００１６】
また、成膜装置１は、反応管１０内へ成膜ガスを導入する成膜ガス供給機構２１と、反応管１０内へドープ用ガスを導入するドープ用ガス供給機構２２と、成膜されるドープされたポリシリコンの結晶粒径を調整するためのガスを導入する粒径調整用ガス供給機構２３とを有している。
【００１７】
成膜ガス供給機構２１は、成膜ガス供給源２５と、成膜ガス供給源２５から成膜ガスを導き、マニホールド１３の側壁下部を貫通して設けられた成膜ガス配管２６とを有している。成膜ガス配管２６には、開閉弁２７およびマスフローコントローラのような流量制御器２８が設けられており、成膜ガスを流量制御しつつ供給することができるようになっている。成膜ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ４）ガス、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガス等のシラン系ガスを用いることができる。
【００１８】
ドープ用ガス供給機構２２は、ドープ用ガス供給源２９と、ドープ用ガス供給源２９からドープ用ガスを導き、マニホールド１３の側壁下部を貫通して設けられたドープ用ガス配管３０とを有している。ドープ用ガス配管３０には、開閉弁３１およびマスフローコントローラのような流量制御器３２が設けられており、ドープ用ガスを流量制御しつつ供給することができるようになっている。ドープ用ガスとしては、リン（Ｐ）をドープするためのリンドープ用ガスとボロン（Ｂ）をドープするためのボロンドープ用ガスを適用することができる。リンドープ用ガスとしてはフォスフィン（ＰＨ３）ガスを挙げることができ、ボロンドープ用ガスとしてはフッ化ボロン（ＢＦ３）ガスを挙げることができる。
【００１９】
粒径調整用ガス供給機構２３は、粒径調整用ガス供給源３３と、粒径調整用ガス供給源３３から粒径調整用ガスを導き、マニホールド１３の側壁下部を貫通して設けられた粒径調整用ガス配管３４とを有している。粒径用ガス配管３４には、開閉弁３５およびマスフローコントローラのような流量制御器３６が設けられており、粒径調整用ガスを流量制御しつつ供給することができるようになっている。粒径調整用ガスは、ポリシリコン中のＳｉと結合することによりポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を供給するものである。このような成分としては、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）を挙げることができ、これらのうち少なくとも１種を含むものを用いることが好ましい。粒径調整用ガスとしては、これら成分を含有するＣ含有ガス、Ｎ含有ガス、Ｏ含有ガスを用いることができる。具体的なガスとしては、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガス、ＮＨ３ガス等を挙げることができ、これら単独でも、複合化して用いてもよい。これらの中では安定性、制御性、効果の点で、Ｃ含有ガスであるＣ２Ｈ４ガスが好ましい。
【００２０】
またマニホールド１３の側壁上部には、外管１１と内管１２との間隙から処理ガスを排出するための排気管３８が接続されている。この排気管３８は反応管１０内を排気するための真空ポンプ３９に連結されており、また排気管３８には圧力調整バルブ等を含む圧力調整機構４０が設けられている。そして、真空ポンプ３９で反応管１０内を排気しつつ圧力調整機構４０で反応管１０内を所定の圧力に調整するようになっている。
【００２１】
この成膜装置１は、その各構成部、例えばバルブ類、マスフローコントローラ、ヒータ電源、昇降機構等の駆動機構を制御するコンピュータを有する制御部５０を備えている。この制御部５０は、成膜装置１における処理の処理パラメータおよび処理手順を記載したレシピおよびこのレシピの読み出しなどを行うプログラムを記憶した記憶部を備えている。
【００２２】
次に、以上の成膜装置を用いて行われる成膜方法について説明する。
まず、ヒータ４によりウエハボート２０のセンター部（上下方向の中央部）の温度が好ましくは４００〜６５０℃、例えば５２５℃となるように反応管１０内を加熱しておき、例えば１５０枚のウエハＷを保持したウエハボート２０を反応管１０内に下方開口部から昇降台１６により搬入する。
【００２３】
次いで、反応管１０内を０．１３３〜２６．６Ｐａ、例えば０．３９９Ｐａの真空度まで真空引きした後、成膜ガス供給源２５から成膜ガス配管２６を介して内管１２内に成膜ガス、例えばモノシランガスを １００〜３０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で供給し、ドープ用ガス供給源２９からドープ用ガス配管３０を介して内管１２内にリンドープ用ガス、例えばフォスフィンガスを１〜５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で供給し、粒径調整用ガス供給源３３から粒径調整用ガス配管３４を介して粒径調整用ガスを供給する。粒径調整用ガスはそのガスの種類によって、適正流量が異なり、Ｃ２Ｈ４ガスの場合には、１〜１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量、Ｎ２Ｏガスの場合には、５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下、ＮＯガスの場合には、１〜５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、ＮＨ３ガスの場合には、１〜１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が例示される。
【００２４】
そして、反応管１０内を好ましくは２６．６〜２６６．６Ｐａ、例えば５３．３Ｐａの圧力となるように排気し、ウエハボート２０を例えば １〜１０ｒｐｍの回転数で回転させながら３０分間成膜を行う。
【００２５】
このような成膜処理を行うことによりリンをドープしたアモルファスシリコン膜が得られる。ボロンをドープしたアモルファスシリコン膜もフォスフィンガスの代わりにフッ化ボロンガスを用いることにより同様に得られる。
【００２６】
このような成膜処理の後、図示しないパージガス配管から反応管１０内にパージガス、例えばＮ２ガスを導入して反応管１０内のガスを排出し、好ましくは５５０〜１１００℃、例えば９５０℃の温度で所定のアニールガス、例えばＮ２ガスを供給しつつアニール処理を行う。なお、このようなアニール処理は別の熱処理装置で行ってもよい。
【００２７】
このようなアニール処理により、アモルファスシリコン膜が結晶化してポリシリコン膜となる。このようにして得られたリンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜は、結晶粒径が微細化され、半導体デバイス形成の際の微細加工性が極めて良好となる。
【００２８】
すなわち、従来のリンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜は、粒径が３００ｎｍ程度であり、要求される微細加工に対応することが困難となってきているが、本発明では、粒径調整用ガスを用いて、膜中にポリシリコン中のＳｉと結合することによりポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分、具体的には炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）を含有する、Ｃ含有ガス、Ｎ含有ガス、Ｏ含有ガスを用いるので、シリコン結晶を１００ｎｍ以下に微細化することができ、所望の微細加工が可能となる。
【００２９】
これは、ポリシリコン膜に炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）が導入されると、Ｓｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−Ｎ結合、Ｓｉ−Ｏ結合が形成されることによる。つまり、ポリシリコン結晶は柱状晶であり、結晶化が進むにつれて柱状に成長して大きな結晶となるが、Ｓｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−Ｎ結合、Ｓｉ−Ｏ結合が形成されると、これらの結合がこのような柱状晶の成長を妨げ、ランダムで微細な結晶とすることができる。
【００３０】
Ｃ含有ガス、Ｎ含有ガス、Ｏ含有ガスとしては、成膜温度以下の温度で分解してＣ，Ｎ，Ｏが膜中に拡散し得るガスであることが必要であり、そのようなガスとして、上述したＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガス、ＮＨ３ガスを挙げることができる。
【００３１】
次に、粒径調整用ガスを用いて実際に成膜した実験結果について説明する。
ここでは、図１の装置を用い、５０枚のウエハを搭載したウエハボートを搬入し、成膜ガスとしてＳｉＨ４ガスを用い、ドープ用ガスとしてＰＨ３ガスを用いてリンドープポリシリコン膜を成膜する際に、粒径調整用ガスとしてＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて実験を行った。基本条件を以下に示す。
（１）成膜処理
温度：５２５℃
反応管内の圧力：５３．３Ｐａ
ＳｉＨ４ガス流量：５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
ＰＨ３ガス流量：５６．３ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
（２）アニール処理
温度：９５０℃
反応管内の圧力：９６０００Ｐａ
アニールガス（Ｎ２ガス）流量：１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
【００３２】
まず、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて、これらの流量を変化させて上記成膜処理を行い、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）による膜中の各元素の密度を求めた。その際の測定条件は、以下のようにした。
一次イオン種：Ｃｓ＋
一次加速電圧：３．０ｋＶ
検出領域：１８０ｍｍ×１８０ｍｍ
測定機：ＰＨＩ ＡＤＥＰＴ１０１０
その結果を図２に示す。（ａ）はＣ２Ｈ４ガス、（ｂ）はＮ２Ｏガス、（ｃ）はＮＯガスの結果である。これらから、Ｃ２Ｈ４ガスを用いることにより、膜中にＣが導入され、Ｎ２Ｏガスを用いることにより、主にＯが導入され（ただしＮも導入される）、ＮＯガスを用いることにより、主にＮが導入され（ただしＯも導入される）、その導入量は流量にほぼ比例することがわかる。
【００３３】
次に、上記条件でＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハにおける成膜レートを把握した。その結果を図３に示す。図３に示すように、ガスの種類により成膜レートは大きく異なり、Ｃ２Ｈ４ガスが流量による成膜レートの変化が最も小さいことがわかる。ＮＯガスとＮ２Ｏガスを比較すると、ＮＯガスのほうが添加量の増加にしたがって成膜レートが急激に低下しているが、これはＮＯのドープ量に依存していると考えられる。また、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガスの場合には、流量によらず面間の成膜レートが一定であるのに対し、ＮＯを用いた場合には、僅か３ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量でも面間の成膜レートのばらつきが極めて大きいものとなった。
【００３４】
次に、上記条件でＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハにおける膜厚の面内均一性を把握した。その結果を図４に示す。図４に示すように、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガスの場合には流量およびウエハの位置により面内均一性は安定しているのに対し、ＮＯガスの場合には、流量依存性が強く出ており、３ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）で面内均一性がボトム側から悪化していく傾向にある。
【００３５】
以上の図３、図４の結果を考慮すると、成膜レートに対する安定性は、ＣドープガスであるＣ２Ｈ４ガスが最も高いことが確認された。
【００３６】
次に、上記条件でＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハのリン濃度を把握した。その結果を図５に示す。この図に示すように、Ｃ２Ｈ４ガスの場合には流量によるリン濃度の変化はほとんど生じず、また、面間のリン濃度も安定していた。これに対し、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いた場合には、流量の増加にともなってリン濃度が減少した。また、ＮＯガスの場合には、３ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）において面間のリン濃度のばらつきが大きいものとなった。上記条件でアニールした後もほぼ同様の傾向が得られた。以上の点を考慮すると、リン濃度に対する安定性は、ＣドープガスであるＣ２Ｈ４ガスが最も高いことが確認された。
【００３７】
次に、上記条件でＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハのＨａｚｅを把握した。Ｈａｚｅは、暗視野検査でレーザー光の散乱によって生成される低周波信号により、ウエハ処理による表面の均一性や粗さ、微細なばらつきを求めたものであり、表面状態（表面あれ）を表す指標であって、低いほど表面状態が良好である。その結果を図６に示す。この図に示すように、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガスは、流量を増加させると表面状態が改善する傾向が見られるが、ＮＯガスの場合には流量を増加させても表面状態の大きな改善傾向は見られない。
【００３８】
次に、上記条件でＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った後、上記条件でアニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の粒径の大きさを把握した。粒径は、透過型顕微鏡（ＴＥＭ）による撮影画像を用いた粒径解析により求めた。この際の流量と粒径の関係を図７に示す。この図に示すように、いずれのガスも粒径を小さくする効果が見られ、目標とする１００ｎｍ以下の粒径が得られることが確認された。これらの中でＮＯガスを用いた場合には小流量で急激に粒径が減少する傾向にあり、Ｃ２Ｈ４ガスは最も流量に対する粒径の減少率が低く、Ｎ２Ｏガスはその中間であるが、到達粒径に大きな差は見られない。制御性を考慮すると流量に対して緩やかに粒径が変化するＣ２Ｈ４が所望の粒径に制御しやすいことから最も良好であると言える。図８には、各元素濃度と粒径の関係を示した。図８の横軸の元素濃度は、図２のＳＩＭＳの結果から、Ｎ２Ｏガスでは膜中Ｏ濃度でプロットし、ＮＯガスについては膜中Ｎ濃度でプロットし、Ｃ２Ｈ４ガスでは膜中Ｃ濃度でプロットした。この図から、Ｃ２Ｈ４ガスでは、Ｃ濃度の変化に対して粒径変化の直線性が良好であることが確認され、このことからもＣ２Ｈ４ガスを用いた場合の粒径制御性が最も良いことがわかる。
【００３９】
次に、上記条件でＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った後、上記条件でアニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の比抵抗について把握した。その際の流量と比抵抗との関係を図９に示す。この図に示すように、ガスの種類により、比抵抗が大きく異なるが、ガス流量が増加するに従って比抵抗が上昇する傾向が見られるが、Ｃ２Ｈ４ガスが最も比抵抗が低い傾向を示す。また、図１０は、各元素濃度と比抵抗の関係を示す図である。図１０の横軸の元素濃度は、図２のＳＩＭＳの結果から、Ｎ２Ｏガスでは膜中Ｏ濃度でプロットし、ＮＯガスについては膜中Ｎ濃度でプロットし、Ｃ２Ｈ４ガスでは膜中Ｃ濃度でプロットした。比抵抗は膜中リン濃度にも関係してくるので、一概には言えないが、Ｃが最も低い傾向を示している。
【００４０】
図１１には、横軸に粒径をとり、縦軸に比抵抗をとってプロットした結果であるが、粒径が小さくなるほど抵抗が上昇する傾向が見られる。
【００４１】
以上の結果から、粒径調整用ガスとしては、Ｎ含有ガスであるＮＯガス、Ｏ含有ガスであるＮ２Ｏガス、Ｃ含有ガスであるＣ２Ｈ４ガスのいずれも用いることができるが、安定性、制御性および比抵抗値からトータル的に判断して、Ｃ含有ガスであるＣ２Ｈ４ガスが最も適していることが把握された。また、比抵抗は粒径が小さくなるに従って高くなるので、比抵抗が許容される範囲内の粒径が得られるように粒径調整用ガスの流量を決定する必要がある。
【００４２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変更が可能である。例えば、上記実施形態ではアモルファスシリコン膜を成膜した後、アニールしてポリ化する場合について説明したが、これに限らず、ポリシリコン生成温度である６００℃以上で成膜して直接ポリシリコン膜を得る場合にも適用可能である。また、上記実施形態では、複数の基板を一括して処理するバッチ式処理に適用した場合について説明したが、枚葉式であってもよい。
【００４３】
粒径調整用ガスとしては、ポリシリコン中のＳｉと結合することによりポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含むものであればよく、上記実施形態に記載したものに限るものではない。また、被処理基板としては半導体ウエハに限らず、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）用のガラス基板等、他の基板であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す縦断面図。
【図２】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスそれぞれを用いて、これらの流量を変化させてリンドープアモルファスシリコン膜の成膜処理を行った際のＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）による膜中の各元素の密度を示す図。
【図３】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスそれぞれを用いて、これらの流量を変化させてリンドープアモルファスシリコン膜の成膜処理を行った際の流量と成膜レートとの関係を示す図。
【図４】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスそれぞれを用いて、これらの流量を変化させてリンドープアモルファスシリコン膜の成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハにおける膜厚の面内均一性を把握した結果を示す図。
【図５】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハのリン濃度を把握した結果を示す図。
【図６】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハのＨａｚｅを示す図。
【図７】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った後、アニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の流量と粒径の関係を示す図。
【図８】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った後、アニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の各元素濃度と粒径の関係を示す図。
【図９】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った後、アニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の流量と比抵抗との関係を示す図。
【図１０】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った後、アニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の各元素濃度と比抵抗との関係を示す図。
【図１１】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて成膜処理を行った後、アニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の粒径と比抵抗との関係を示す図。
【符号の説明】
【００４５】
１；成膜装置
２；加熱炉
３；断熱体
４；ヒータ
１０；反応管
１３；マニホールド
１４；キャップ部
２０；ウエハボート
２１；成膜ガス供給機構
２２；ドープ用ガス供給機構
２３；粒径調整用ガス供給機構
３８；排気管
３９；真空ポンプ
５０；制御部
Ｗ；半導体ウエハ（被処理体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理基板上にリンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは種々の薄膜が積層されて構成されており、そのような薄膜としてリン（Ｐ）やボロン（Ｂ）をドープしたポリシリコン膜が用いられている。このようなドープされたポリシリコン膜は抵抗素子、ゲート、配線などとして用いられている。
【０００３】
このようなドープされたポリシリコンは、制御性に優れ、またイオン打ち込みのような基板の損傷がないことから、減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)が広く利用されている。
【０００４】
減圧ＣＶＤによるリンドープポリシリコン膜の成膜には、従来、縦型熱処理装置が多用されている。この縦型熱処理装置によるリンドープポリシリコンの成膜は、ウエハボートに多数枚の半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）を載せて反応管内に搬入し、反応管内の温度を例えば５９０℃以上に設定するとともに、例えばモノシラン（ＳｉＨ4 ）ガスおよびフォスフィン（ＰＨ3 ）ガスを反応管内に導入し、反応管内を所定の真空度に維持しながら行われる（例えば特許文献１）。また成膜ガスとしてモノシランガスの代りにジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）ガスを用い、例えば５８０℃以下の温度でリンをドープしたアモルファスシリコン膜を成膜し、この薄膜を例えば６００〜１０００℃程度の温度でアニールしてポリ化する方法も用いられている（例えば特許文献２）。
【０００５】
ところで、近時、半導体デバイスのデザインルールは益々微細化されており、パターンを形成する際に極めて高い加工精度が要求されている。しかしながら、上記技術により成膜されたリンドープポリシリコン膜の場合、結晶粒径が３００ｎｍ程度が限界であり、要求される微細加工に対応することが困難になりつつある。
【特許文献１】特開平９−１２９５６２号公報
【特許文献２】特開平７−８６１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、微細な結晶粒を有する、リンまたはボロンがドープされたポリシリコンを形成することができるポリシリコン膜の形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜の形成方法であって、反応容器内に被処理基板を配置し、被処理基板を減圧雰囲気下で加熱しながら、シリコン成膜用ガスと、リンまたはボロンを膜中にドープするためのガスと、ポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含む粒径調整用ガスとを前記反応容器内に導入し、被処理基板上にリンまたはボロンがドープされたアモルファスシリコン膜を成膜し、その後、前記アモルファスシリコン膜を熱処理して、リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成することを特徴とするポリシリコン膜の形成方法を提供する。
【０００８】
本発明の第２の観点では、リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜の形成方法であって、反応容器内に被処理基板を配置し、被処理基板を減圧雰囲気下で加熱しながら、シリコン成膜用ガスと、リンまたはボロンを膜中にドープするためのガスと、ポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含む粒径調整用ガスとを前記反応容器内に導入し、被処理基板上にリンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を成膜することを特徴とするポリシリコン膜の形成方法を提供する。
【０００９】
上記第１、第２の観点において、前記シリコン成膜用ガスは、シラン系ガスを用いることができる。また、前記粒径調整用ガスのポリシリコン結晶の微細化を促進する成分は炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）から選択される少なくとも１種であることが好ましく、前記粒径調整用ガスは、Ｃ含有ガス、Ｎ含有ガス、Ｏ含有ガスのいずれかを用いることができる。これらの中ではＣ含有ガスが好ましい。前記粒径調整用ガスは、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガス、ＮＨ３ガスの１種以上であることが好ましく。これらの中ではＣ含有ガスであるＣ２Ｈ４ガスが最も好ましい。さらに、形成されたポリシリコン膜のポリシリコン結晶の粒径が平均粒径で、１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含む粒径調整用ガスを導入しながら成膜を行うので、微細な結晶粒を有する、リンまたはボロンがドープされたポリシリコンを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す縦断面図である。成膜装置１は、天井部を備えた筒状の断熱体３と、断熱体３の内周面に設けられたヒータ４とを有する加熱炉２を備えている。加熱炉２は、ベースプレート５上に設置されている。
【００１３】
加熱炉２内には、例えば石英からなる、上端が閉じている外管１１と、この外管１１内に同心状に設置された例えば石英からなる内管１２とを有する２重管構造をなす反応容器である反応管１０が挿入されている。そして、上記ヒータ４は反応管１０の外側を囲繞するように設けられている。
【００１４】
上記外管１１および内管１２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１３に保持されており、このマニホールド１３の下端開口部には、当該開口を気密に封止するためのキャップ部１４が開閉自在に設けられている。
【００１５】
キャップ部１４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１５が挿通されており、回転軸１５の下端は昇降台１６の回転機構１７に接続され、上端はターンテーブル１８に固定されている。ターンテーブル１８には、保温筒１９を介してウエハ保持具である例えば石英製のウエハボート２０が搭載され、このウエハボート２０は、例えば５０〜１５０枚のウエハＷを所定間隔のピッチで積み重ねて収容できるように構成されている。そして、昇降機構（図示せず）により昇降台１６を昇降させることにより、ウエハボート２０を反応管１０内へ搬入搬出可能となっている。ウエハボート２０を反応管１０内に搬入した際に、上記キャップ部１４がマニホールド１３に密接し、その間が気密にシールされる。
【００１６】
また、成膜装置１は、反応管１０内へ成膜ガスを導入する成膜ガス供給機構２１と、反応管１０内へドープ用ガスを導入するドープ用ガス供給機構２２と、成膜されるドープされたポリシリコンの結晶粒径を調整するためのガスを導入する粒径調整用ガス供給機構２３とを有している。
【００１７】
成膜ガス供給機構２１は、成膜ガス供給源２５と、成膜ガス供給源２５から成膜ガスを導き、マニホールド１３の側壁下部を貫通して設けられた成膜ガス配管２６とを有している。成膜ガス配管２６には、開閉弁２７およびマスフローコントローラのような流量制御器２８が設けられており、成膜ガスを流量制御しつつ供給することができるようになっている。成膜ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ４）ガス、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガス等のシラン系ガスを用いることができる。
【００１８】
ドープ用ガス供給機構２２は、ドープ用ガス供給源２９と、ドープ用ガス供給源２９からドープ用ガスを導き、マニホールド１３の側壁下部を貫通して設けられたドープ用ガス配管３０とを有している。ドープ用ガス配管３０には、開閉弁３１およびマスフローコントローラのような流量制御器３２が設けられており、ドープ用ガスを流量制御しつつ供給することができるようになっている。ドープ用ガスとしては、リン（Ｐ）をドープするためのリンドープ用ガスとボロン（Ｂ）をドープするためのボロンドープ用ガスを適用することができる。リンドープ用ガスとしてはフォスフィン（ＰＨ３）ガスを挙げることができ、ボロンドープ用ガスとしてはフッ化ボロン（ＢＦ３）ガスを挙げることができる。
【００１９】
粒径調整用ガス供給機構２３は、粒径調整用ガス供給源３３と、粒径調整用ガス供給源３３から粒径調整用ガスを導き、マニホールド１３の側壁下部を貫通して設けられた粒径調整用ガス配管３４とを有している。粒径用ガス配管３４には、開閉弁３５およびマスフローコントローラのような流量制御器３６が設けられており、粒径調整用ガスを流量制御しつつ供給することができるようになっている。粒径調整用ガスは、ポリシリコン中のＳｉと結合することによりポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を供給するものである。このような成分としては、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）を挙げることができ、これらのうち少なくとも１種を含むものを用いることが好ましい。粒径調整用ガスとしては、これら成分を含有するＣ含有ガス、Ｎ含有ガス、Ｏ含有ガスを用いることができる。具体的なガスとしては、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガス、ＮＨ３ガス等を挙げることができ、これら単独でも、複合化して用いてもよい。これらの中では安定性、制御性、効果の点で、Ｃ含有ガスであるＣ２Ｈ４ガスが好ましい。
【００２０】
またマニホールド１３の側壁上部には、外管１１と内管１２との間隙から処理ガスを排出するための排気管３８が接続されている。この排気管３８は反応管１０内を排気するための真空ポンプ３９に連結されており、また排気管３８には圧力調整バルブ等を含む圧力調整機構４０が設けられている。そして、真空ポンプ３９で反応管１０内を排気しつつ圧力調整機構４０で反応管１０内を所定の圧力に調整するようになっている。
【００２１】
この成膜装置１は、その各構成部、例えばバルブ類、マスフローコントローラ、ヒータ電源、昇降機構等の駆動機構を制御するコンピュータを有する制御部５０を備えている。この制御部５０は、成膜装置１における処理の処理パラメータおよび処理手順を記載したレシピおよびこのレシピの読み出しなどを行うプログラムを記憶した記憶部を備えている。
【００２２】
次に、以上の成膜装置を用いて行われる成膜方法について説明する。
まず、ヒータ４によりウエハボート２０のセンター部（上下方向の中央部）の温度が好ましくは４００〜６５０℃、例えば５２５℃となるように反応管１０内を加熱しておき、例えば１５０枚のウエハＷを保持したウエハボート２０を反応管１０内に下方開口部から昇降台１６により搬入する。
【００２３】
次いで、反応管１０内を０．１３３〜２６．６Ｐａ、例えば０．３９９Ｐａの真空度まで真空引きした後、成膜ガス供給源２５から成膜ガス配管２６を介して内管１２内に成膜ガス、例えばモノシランガスを １００〜３０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で供給し、ドープ用ガス供給源２９からドープ用ガス配管３０を介して内管１２内にリンドープ用ガス、例えばフォスフィンガスを１〜５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量で供給し、粒径調整用ガス供給源３３から粒径調整用ガス配管３４を介して粒径調整用ガスを供給する。粒径調整用ガスはそのガスの種類によって、適正流量が異なり、Ｃ２Ｈ４ガスの場合には、１〜１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量、Ｎ２Ｏガスの場合には、５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以下、ＮＯガスの場合には、１〜５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、ＮＨ３ガスの場合には、１〜１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が例示される。
【００２４】
そして、反応管１０内を好ましくは２６．６〜２６６．６Ｐａ、例えば５３．３Ｐａの圧力となるように排気し、ウエハボート２０を例えば １〜１０ｒｐｍの回転数で回転させながら３０分間成膜を行う。
【００２５】
このような成膜処理を行うことによりリンをドープしたアモルファスシリコン膜が得られる。ボロンをドープしたアモルファスシリコン膜もフォスフィンガスの代わりにフッ化ボロンガスを用いることにより同様に得られる。
【００２６】
このような成膜処理の後、図示しないパージガス配管から反応管１０内にパージガス、例えばＮ２ガスを導入して反応管１０内のガスを排出し、好ましくは５５０〜１１００℃、例えば９５０℃の温度で所定のアニールガス、例えばＮ２ガスを供給しつつアニール処理を行う。なお、このようなアニール処理は別の熱処理装置で行ってもよい。
【００２７】
このようなアニール処理により、アモルファスシリコン膜が結晶化してポリシリコン膜となる。このようにして得られたリンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜は、結晶粒径が微細化され、半導体デバイス形成の際の微細加工性が極めて良好となる。
【００２８】
すなわち、従来のリンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜は、粒径が３００ｎｍ程度であり、要求される微細加工に対応することが困難となってきているが、本発明では、粒径調整用ガスを用いて、膜中にポリシリコン中のＳｉと結合することによりポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分、具体的には炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）を含有する、Ｃ含有ガス、Ｎ含有ガス、Ｏ含有ガスを用いるので、シリコン結晶を１００ｎｍ以下に微細化することができ、所望の微細加工が可能となる。
【００２９】
これは、ポリシリコン膜に炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）が導入されると、Ｓｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−Ｎ結合、Ｓｉ−Ｏ結合が形成されることによる。つまり、ポリシリコン結晶は柱状晶であり、結晶化が進むにつれて柱状に成長して大きな結晶となるが、Ｓｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−Ｎ結合、Ｓｉ−Ｏ結合が形成されると、これらの結合がこのような柱状晶の成長を妨げ、ランダムで微細な結晶とすることができる。
【００３０】
Ｃ含有ガス、Ｎ含有ガス、Ｏ含有ガスとしては、成膜温度以下の温度で分解してＣ，Ｎ，Ｏが膜中に拡散し得るガスであることが必要であり、そのようなガスとして、上述したＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガス、ＮＨ３ガスを挙げることができる。
【００３１】
次に、粒径調整用ガスを用いて実際に成膜した実験結果について説明する。
ここでは、図１の装置を用い、５０枚のウエハを搭載したウエハボートを搬入し、成膜ガスとしてＳｉＨ４ガスを用い、ドープ用ガスとしてＰＨ３ガスを用いてリンドープポリシリコン膜を成膜する際に、粒径調整用ガスとしてＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて実験を行った。基本条件を以下に示す。
（１）成膜処理
温度：５２５℃
反応管内の圧力：５３．３Ｐａ
ＳｉＨ４ガス流量：５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
ＰＨ３ガス流量：５６．３ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
（２）アニール処理
温度：９５０℃
反応管内の圧力：９６０００Ｐａ
アニールガス（Ｎ２ガス）流量：１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
【００３２】
まず、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて、これらの流量を変化させて上記成膜処理を行い、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）による膜中の各元素の密度を求めた。その際の測定条件は、以下のようにした。
一次イオン種：Ｃｓ＋
一次加速電圧：３．０ｋＶ
検出領域：１８０ｍｍ×１８０ｍｍ
測定機：ＰＨＩ ＡＤＥＰＴ１０１０
その結果を図２に示す。（ａ）はＣ２Ｈ４ガス、（ｂ）はＮ２Ｏガス、（ｃ）はＮＯガスの結果である。これらから、Ｃ２Ｈ４ガスを用いることにより、膜中にＣが導入され、Ｎ２Ｏガスを用いることにより、主にＯが導入され（ただしＮも導入される）、ＮＯガスを用いることにより、主にＮが導入され（ただしＯも導入される）、その導入量は流量にほぼ比例することがわかる。
【００３３】
次に、上記条件でＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハにおける成膜レートを把握した。その結果を図３に示す。図３に示すように、ガスの種類により成膜レートは大きく異なり、Ｃ２Ｈ４ガスが流量による成膜レートの変化が最も小さいことがわかる。ＮＯガスとＮ２Ｏガスを比較すると、ＮＯガスのほうが添加量の増加にしたがって成膜レートが急激に低下しているが、これはＮＯのドープ量に依存していると考えられる。また、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガスの場合には、流量によらず面間の成膜レートが一定であるのに対し、ＮＯを用いた場合には、僅か３ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の流量でも面間の成膜レートのばらつきが極めて大きいものとなった。
【００３４】
次に、上記条件でＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハにおける膜厚の面内均一性を把握した。その結果を図４に示す。図４に示すように、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガスの場合には流量およびウエハの位置により面内均一性は安定しているのに対し、ＮＯガスの場合には、流量依存性が強く出ており、３ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）で面内均一性がボトム側から悪化していく傾向にある。
【００３５】
以上の図３、図４の結果を考慮すると、成膜レートに対する安定性は、ＣドープガスであるＣ２Ｈ４ガスが最も高いことが確認された。
【００３６】
次に、上記条件でＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハのリン濃度を把握した。その結果を図５に示す。この図に示すように、Ｃ２Ｈ４ガスの場合には流量によるリン濃度の変化はほとんど生じず、また、面間のリン濃度も安定していた。これに対し、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いた場合には、流量の増加にともなってリン濃度が減少した。また、ＮＯガスの場合には、３ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）において面間のリン濃度のばらつきが大きいものとなった。上記条件でアニールした後もほぼ同様の傾向が得られた。以上の点を考慮すると、リン濃度に対する安定性は、ＣドープガスであるＣ２Ｈ４ガスが最も高いことが確認された。
【００３７】
次に、上記条件でＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハのＨａｚｅを把握した。Ｈａｚｅは、暗視野検査でレーザー光の散乱によって生成される低周波信号により、ウエハ処理による表面の均一性や粗さ、微細なばらつきを求めたものであり、表面状態（表面あれ）を表す指標であって、低いほど表面状態が良好である。その結果を図６に示す。この図に示すように、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガスは、流量を増加させると表面状態が改善する傾向が見られるが、ＮＯガスの場合には流量を増加させても表面状態の大きな改善傾向は見られない。
【００３８】
次に、上記条件でＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った後、上記条件でアニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の粒径の大きさを把握した。粒径は、透過型顕微鏡（ＴＥＭ）による撮影画像を用いた粒径解析により求めた。この際の流量と粒径の関係を図７に示す。この図に示すように、いずれのガスも粒径を小さくする効果が見られ、目標とする１００ｎｍ以下の粒径が得られることが確認された。これらの中でＮＯガスを用いた場合には小流量で急激に粒径が減少する傾向にあり、Ｃ２Ｈ４ガスは最も流量に対する粒径の減少率が低く、Ｎ２Ｏガスはその中間であるが、到達粒径に大きな差は見られない。制御性を考慮すると流量に対して緩やかに粒径が変化するＣ２Ｈ４が所望の粒径に制御しやすいことから最も良好であると言える。図８には、各元素濃度と粒径の関係を示した。図８の横軸の元素濃度は、図２のＳＩＭＳの結果から、Ｎ２Ｏガスでは膜中Ｏ濃度でプロットし、ＮＯガスについては膜中Ｎ濃度でプロットし、Ｃ２Ｈ４ガスでは膜中Ｃ濃度でプロットした。この図から、Ｃ２Ｈ４ガスでは、Ｃ濃度の変化に対して粒径変化の直線性が良好であることが確認され、このことからもＣ２Ｈ４ガスを用いた場合の粒径制御性が最も良いことがわかる。
【００３９】
次に、上記条件でＣ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った後、上記条件でアニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の比抵抗について把握した。その際の流量と比抵抗との関係を図９に示す。この図に示すように、ガスの種類により、比抵抗が大きく異なるが、ガス流量が増加するに従って比抵抗が上昇する傾向が見られるが、Ｃ２Ｈ４ガスが最も比抵抗が低い傾向を示す。また、図１０は、各元素濃度と比抵抗の関係を示す図である。図１０の横軸の元素濃度は、図２のＳＩＭＳの結果から、Ｎ２Ｏガスでは膜中Ｏ濃度でプロットし、ＮＯガスについては膜中Ｎ濃度でプロットし、Ｃ２Ｈ４ガスでは膜中Ｃ濃度でプロットした。比抵抗は膜中リン濃度にも関係してくるので、一概には言えないが、Ｃが最も低い傾向を示している。
【００４０】
図１１には、横軸に粒径をとり、縦軸に比抵抗をとってプロットした結果であるが、粒径が小さくなるほど抵抗が上昇する傾向が見られる。
【００４１】
以上の結果から、粒径調整用ガスとしては、Ｎ含有ガスであるＮＯガス、Ｏ含有ガスであるＮ２Ｏガス、Ｃ含有ガスであるＣ２Ｈ４ガスのいずれも用いることができるが、安定性、制御性および比抵抗値からトータル的に判断して、Ｃ含有ガスであるＣ２Ｈ４ガスが最も適していることが把握された。また、比抵抗は粒径が小さくなるに従って高くなるので、比抵抗が許容される範囲内の粒径が得られるように粒径調整用ガスの流量を決定する必要がある。
【００４２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変更が可能である。例えば、上記実施形態ではアモルファスシリコン膜を成膜した後、アニールしてポリ化する場合について説明したが、これに限らず、ポリシリコン生成温度である６００℃以上で成膜して直接ポリシリコン膜を得る場合にも適用可能である。また、上記実施形態では、複数の基板を一括して処理するバッチ式処理に適用した場合について説明したが、枚葉式であってもよい。
【００４３】
粒径調整用ガスとしては、ポリシリコン中のＳｉと結合することによりポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含むものであればよく、上記実施形態に記載したものに限るものではない。また、被処理基板としては半導体ウエハに限らず、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）用のガラス基板等、他の基板であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す縦断面図。
【図２】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスそれぞれを用いて、これらの流量を変化させてリンドープアモルファスシリコン膜の成膜処理を行った際のＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）による膜中の各元素の密度を示す図。
【図３】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスそれぞれを用いて、これらの流量を変化させてリンドープアモルファスシリコン膜の成膜処理を行った際の流量と成膜レートとの関係を示す図。
【図４】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスそれぞれを用いて、これらの流量を変化させてリンドープアモルファスシリコン膜の成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハにおける膜厚の面内均一性を把握した結果を示す図。
【図５】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハのリン濃度を把握した結果を示す図。
【図６】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った際のウエハボートのトップ、センター、ボトムのウエハのＨａｚｅを示す図。
【図７】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った後、アニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の流量と粒径の関係を示す図。
【図８】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った後、アニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の各元素濃度と粒径の関係を示す図。
【図９】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った後、アニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の流量と比抵抗との関係を示す図。
【図１０】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて流量を変化させて成膜処理を行った後、アニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の各元素濃度と比抵抗との関係を示す図。
【図１１】Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガスを用いて成膜処理を行った後、アニールを行ってポリシリコン膜を形成した際の粒径と比抵抗との関係を示す図。
【符号の説明】
【００４５】
１；成膜装置
２；加熱炉
３；断熱体
４；ヒータ
１０；反応管
１３；マニホールド
１４；キャップ部
２０；ウエハボート
２１；成膜ガス供給機構
２２；ドープ用ガス供給機構
２３；粒径調整用ガス供給機構
３８；排気管
３９；真空ポンプ
５０；制御部
Ｗ；半導体ウエハ（被処理体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜の形成方法であって、
反応容器内に被処理基板を配置し、被処理基板を減圧雰囲気下で加熱しながら、シリコン成膜用ガスと、リンまたはボロンを膜中にドープするためのガスと、ポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含む粒径調整用ガスとを前記反応容器内に導入し、被処理基板上にリンまたはボロンがドープされたアモルファスシリコン膜を成膜し、その後、前記アモルファスシリコン膜を熱処理して、リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成することを特徴とするポリシリコン膜の形成方法。
【請求項２】
リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜の形成方法であって、
反応容器内に被処理基板を配置し、被処理基板を減圧雰囲気下で加熱しながら、シリコン成膜用ガスと、リンまたはボロンを膜中にドープするためのガスと、ポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含む粒径調整用ガスとを前記反応容器内に導入し、被処理基板上にリンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を成膜することを特徴とするポリシリコン膜の形成方法。
【請求項３】
前記シリコン成膜用ガスは、シラン系ガスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項４】
前記粒径調整用ガスのポリシリコン結晶の微細化を促進する成分は炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項５】
前記粒径調整用ガスは、Ｃ含有ガス、Ｎ含有ガス、Ｏ含有ガスのいずれかであることを特徴とする請求項４に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項６】
前記粒径調整用ガスは、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガス、ＮＨ３ガスの１種以上であることを特徴とする請求項５に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項７】
前記粒径調整用ガスは、Ｃ含有ガスであることを特徴とする請求項４に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項８】
前記粒径調整用ガスは、Ｃ２Ｈ４ガスであることを特徴とする請求項７に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項９】
形成されたポリシリコン膜のポリシリコン結晶の粒径が平均粒径で、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項１】
リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜の形成方法であって、
反応容器内に被処理基板を配置し、被処理基板を減圧雰囲気下で加熱しながら、シリコン成膜用ガスと、リンまたはボロンを膜中にドープするためのガスと、ポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含む粒径調整用ガスとを前記反応容器内に導入し、被処理基板上にリンまたはボロンがドープされたアモルファスシリコン膜を成膜し、その後、前記アモルファスシリコン膜を熱処理して、リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成することを特徴とするポリシリコン膜の形成方法。
【請求項２】
リンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜の形成方法であって、
反応容器内に被処理基板を配置し、被処理基板を減圧雰囲気下で加熱しながら、シリコン成膜用ガスと、リンまたはボロンを膜中にドープするためのガスと、ポリシリコン結晶の柱状化を妨げてポリシリコン結晶の微細化を促進する成分を含む粒径調整用ガスとを前記反応容器内に導入し、被処理基板上にリンまたはボロンがドープされたポリシリコン膜を成膜することを特徴とするポリシリコン膜の形成方法。
【請求項３】
前記シリコン成膜用ガスは、シラン系ガスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項４】
前記粒径調整用ガスのポリシリコン結晶の微細化を促進する成分は炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項５】
前記粒径調整用ガスは、Ｃ含有ガス、Ｎ含有ガス、Ｏ含有ガスのいずれかであることを特徴とする請求項４に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項６】
前記粒径調整用ガスは、Ｃ２Ｈ４ガス、Ｎ２Ｏガス、ＮＯガス、ＮＨ３ガスの１種以上であることを特徴とする請求項５に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項７】
前記粒径調整用ガスは、Ｃ含有ガスであることを特徴とする請求項４に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項８】
前記粒径調整用ガスは、Ｃ２Ｈ４ガスであることを特徴とする請求項７に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【請求項９】
形成されたポリシリコン膜のポリシリコン結晶の粒径が平均粒径で、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のポリシリコン膜の形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−９９５８２（Ｐ２００９−９９５８２Ａ）
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６６５５８（Ｐ２００７−２６６５５８）
【出願日】平成１９年１０月１２日（２００７．１０．１２）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１２日（２００７．１０．１２）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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