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発明の名称 半導体装置の製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−267857
公開日 平成6年(1994)9月22日
出願番号 特願平5−50397
出願日 平成5年(1993)3月11日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 小林 孝 / 飯島 晋平
要約 目的


構成
多結晶Si膜堆積における原料ガスをジクロルシラン(SiH2Cl2)とフォスフィン(PH3)を含む混合ガスとし、その堆積温度を750℃以上とすることにより、同一反応炉内で同一温度下で異なる薄膜、例えば、SiO2 膜やSi34膜を連続して堆積する。
特許請求の範囲
【請求項1】半導体装置の製造方法において、複数種類の薄膜を、減圧化学気相成長法を用い、同一反応炉内で、ほぼ同一の温度で連続して堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】請求項1において、上記薄膜が多結晶シリコン膜,酸化膜,窒化膜のうちのいずれかである半導体装置の製造方法。
【請求項3】請求項2において、上記多結晶シリコン膜の堆積と同時に不純物を導入する半導体装置の製造方法。
【請求項4】請求項1,2または3において、上記薄膜の堆積を700℃以上900℃以下で行う半導体装置の製造方法。
【請求項5】MOSトランジスタのゲート電極となる多結晶Si膜とその直上の絶縁膜を、減圧化学気相成長法により、同一反応炉内で連続して堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項6】多結晶Si膜を電流経路とするMOSトランジスタの製造において、ゲート絶縁膜と電流経路となる多結晶Si膜を、減圧化学気相成長法により、同一反応炉内で連続して堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項7】一括消去型EEPROMの製造において、浮遊ゲート,制御ゲート,浮遊ゲートと制御ゲート間の層間膜,制御ゲート直上の絶縁膜の複数個を、減圧化学気相成長法により、同一反応炉内で連続して堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項8】浮遊ゲートと制御ゲート間の層間膜が複数の絶縁膜からなる一括消去型EEPROMの製造において、上記絶縁膜の複数個を減圧化学気相成長法により、同一反応炉内で連続して堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項9】請求項6,7または8において、上記同一反応炉内での連続堆積が、ほぼ同一の温度で行われる半導体装置の製造方法。
【請求項10】不純物を導入しながら多結晶シリコン膜を堆積する薄膜形成方法において、原料ガスにジクロルシラン(SiH2Cl2)とフォスフィン(PH3),希釈ガスに不活性ガスまたは窒素(N2)を用い、減圧化学気相成長法により700℃以上900℃以下の温度範囲で、5×1019/cm3 以上のリンを導入して堆積することを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項11】請求項10において、上記不純物を導入した多結晶シリコン膜の膜厚が、シリコン基板上と絶縁膜上でほぼ同一である薄膜形成方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法に係り、特に、薄膜形成工程の高スループット化を図る方法に関する。
【0002】
【従来の技術】今日のLSI製造工程では、拡散炉を用いた減圧化学気相成長(LPCVD)法により形成した薄膜が、電極,配線,層間絶縁膜、あるいは容量膜として広く用いられている。これは、形成した薄膜の均一性が優れ、1回で多量のウェハが処理できること、また、段差被覆性等の膜質が良好なためである。例えば、電極,配線に利用される多結晶シリコン(Si)膜では、モノシラン(SiH4)を原料ガスに用い、これを600〜650℃の温度範囲で熱分解させ膜形成を行っているが、±5%の膜厚均一性で200枚以上のウェハを1回で処理可能である。また、段差被覆性はほぼ1であり、高アスペクト溝内を完全に埋め込むことができる。
【0003】この種の方法として関連する技術は、例えば、ブイエルエスアイ テクノロジー,セカンド エディション,エス.エム.ジィ編集(マグローヒル,1988年)233頁から271頁(VLSI Technology, S.M.Sze ed. (McGraw-Hill,1988)pp233-271において論じられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、LPCVD法による薄膜形成、例えば多結晶Si膜堆積では、200nmの膜堆積に要する時間が20分程度なのに対し、ウェハのローディング,アンローディング,膜堆積前後の反応炉内真空排気といった膜堆積以外に要する時間が100分程度と長く、これがより一層のスループット向上を図る上で障害となっていた。
【0005】ところで、LSIの製造工程では、2種類の薄膜を異なるLPCVD装置を用いて連続して堆積する場合がある。例えば、MOSトランジスタのゲート電極形成工程では、ゲート酸化膜形成後、SiH4もしくはSi26とPH3を原料ガスに用いたLPCVD法により電極となる不純物を導入した多結晶Si膜を堆積し、続いて別のLPCVD炉において、SiH4と亜酸化二窒素(N2O)を原料ガスとして層間膜となるSiO2 膜を堆積し、これを公知の技術により加工している。もし、2種類の薄膜が同一反応炉内で同一温度で堆積できれば、ウェハのローディング,アンローディングや膜堆積前後の真空排気等に要する時間を大幅に短縮することができ、LSI製造の高スループット化が図れるはずである。
【0006】しかし、従来の堆積温度は多結晶Si膜が450〜650℃程度、SiO2 膜が750〜850℃程度と大きく異なり、昇降温とその後の温度安定化に時間を要するため、同一炉内での連続薄膜形成はスループットの著しい低下を招き、現実的には困難であった。
【0007】本発明の目的は、異種の薄膜形成温度を同一として同一反応炉内で連続処理することにより薄膜形成工程における膜堆積以外の時間を短縮し、LSI製造の高スループット化を図ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題は、多結晶Si膜形成における原料ガスをジクロルシラン(SiH2cl2)とフォスフィン(PH3)を含む混合ガスとしてその形成温度を従来より高い750℃以上とし、同一反応炉内で同一温度下で異なる薄膜、例えばSiO2膜やSi3N4膜を連続して堆積することにより達成される。
【0009】
【作用】従来技術では、不純物を導入しながら多結晶Si膜を堆積する際、原料ガスにSiH4とPH3を用いていた。しかし、750℃以上で多結晶Si膜を堆積しようとした場合、ガスは反応炉口付近でほとんど消費されてしまい、多数枚ウェハを均一性良く堆積することは困難であった。これに対し、SiH4 に代えてSiH2Cl2を原料ガスに用いると、Si−Clの結合エネルギがSi−Hに比べ大きいため、従来より高温でもウェハ間の膜厚均一性を維持しつつ膜堆積が可能である。従って、不純物を導入した多結晶Si膜とSiO2膜あるいはSi34膜を同一反応炉内で同一温度で連続して堆積することができる。
【0010】なお、異なる薄膜を連続して堆積しようとした場合、薄膜の種類に応じて反応炉内の圧力を変える必要がある。また、膜堆積の際に導入した反応ガスをいったん排気する必要もある。しかし、圧力変更は通常1分程度で完了し、また、反応ガスの排気も5分程度で十分である。よって、これらがスループットの低下をまねくことはなく、本発明の障害とはならない。
【0011】
【実施例】
(実施例1)本実施例では、まず、不純物を導入した多結晶Si膜の堆積方法について述べる。図1に、実験に用いた横型減圧CVD装置の概略図を示す。
【0012】まず、試料基板15を治具14に装着し、これを反応管11の中央へロードした。試料基板には、Si基板に熱酸化膜100nmを形成したものを用いた。次に、炉扉12を閉じ、反応管内を排気した。その後、バルブ19を開け、排気を行いながらN2ガスを流した(本工程を以後、N2パージと称す)。その後、バルブ19を閉め、再び反応管内を排気した後、バルブ16,18及び19を開けて、SiH2Cl2を100cc/min、PH3を0.5cc/min、希釈用N2を100cc/min 同時に流し、リンを導入した多結晶Si膜を約200nm堆積した。反応ガスを流している間の炉内圧力は180Paに保持した。所定時間ガスを流して膜の堆積を行った後、真空排気,N2 パージを行い、その後、反応炉内を常圧として試料基板15を取り出した。その後、窒素雰囲気中で30分間熱処理し、不純物の活性化を行った。
【0013】図2にこの方法により形成した多結晶Si膜の堆積温度と堆積速度の関係を示す。同図には比較のため、従来技術であるSiH4とPH3、及びSi26とPH3を原料ガスとして用いた場合の結果も合わせて示した。また、図3にはSiH4とN2Oを用いて堆積したSiO2膜、ならびにSiH2Cl2とNH3 を用いて堆積したSi34膜の堆積速度と堆積温度の関係を示す。これらの図から、SiH2Cl2とPH3 を用いれば、反応ガスの供給律速とならない、すなわち反応律速系内で、SiO2 膜及びSi34膜堆積と同一の温度で不純物を導入しながら多結晶Si膜を堆積できることがわかる。
【0014】(実施例2)本実施例では、不純物を導入した多結晶Si膜とSiO2 膜を同一反応炉内で同一温度で連続して堆積した例について述べる。
【0015】本実施例でも、実施例1と同様、図1に示した装置で膜堆積を行った。
【0016】まず、試料基板15を治具14に装着し、これを反応管11の中央へロードした。試料基板には、Si基板に熱酸化膜100nmを形成したものを用いた。次に炉扉12を閉じ、反応管内を排気した後、N2 パージを行い、更に反応管内を排気した後、バルブ16,18及び19を開けて、SiH2Cl2を100cc/min、PH3を0.5cc/min、希釈用N2を100cc/min同時に流し、リンを導入した多結晶Si膜を約100nm堆積した。反応ガスを流している間の炉内圧力は180Paに保持した。その後、バルブ16,18及び19を閉じ、反応ガスの供給をいったん停止した。そして、反応炉内を5分間排気して炉内圧力を10-3Paとした後、バルブ17及び20を開け、SiH4 を40cc/min、N2Oを1300cc/min同時に流し、SiO2膜を150nm堆積した。その後、バルブ17及び20を閉じ、炉内排気,N2 パージを行った後、常圧として試料基板15を取り出した。
【0017】この工程に要した時間を図4に示す。同図には、多結晶Si膜堆積後いったんウェハを反応炉外に取り出し、その後、別の反応炉においてSiO2 膜を堆積した従来法における所要時間も合わせて示す。従来法における多結晶Si膜堆積条件は、炉内温度630℃,圧力100Pa,ガス流量SiH4/PH3=200/0.5cc/minである。この従来法では、不純物を導入した多結晶Si膜とSiO2膜の形成に5時間40分という長時間を要した。これに対し、同一温度,同一反応炉内で連続堆積した本発明では、ウェハ処理に要した時間は3時間30分と、従来に比べ所要時間を62%に短縮できた。
【0018】本実施例によれば、SiH2Cl2とPH3 を原料ガスに用いたLPCVD法により不純物を導入しながら多結晶Si膜を堆積し、その後、同一温度で同一炉内においてSiO2 膜を堆積することにより、LSI製造工程の高スループット化が図れる。
【0019】なお、本実施例では、SiO2膜の堆積にあたり原料ガスにSiH4を用いたが、これに代えてSiH2Cl2を用いても同様の効果が得られる。この場合、SiO2 膜の堆積速度が減少するため、不純物を導入した多結晶Si膜ならびにSiO2 膜の堆積温度を本実施例より高温、例えば、800〜900℃程度とすることが好ましい。
【0020】(実施例3)本実施例では、不純物を導入した多結晶Si膜とSiN4 膜を同一反応炉内で同一温度で連続して堆積した例について述べる。
【0021】本実施例でも、図1に示した装置で膜堆積を行った。まず、試料基板15を治具14に装着し、これを反応管11の中央へロードした。試料基板には、Si基板に熱酸化膜100nmを形成したものを用いた。次に炉扉12を閉じ、反応管内を排気した後、N2 パージを行い、更に反応管内を排気した後、バルブ16,18及び19を開けて、SiH2Cl2を100cc/min、PH3を0.5cc/min、希釈用N2を100cc/min同時に流し、リンを導入した多結晶Si膜を100nm堆積した。反応ガスを流している間の炉内圧力は180Paとした。堆積後、バルブ16,18及び19を閉じ、反応ガスの供給をいったん停止した。その後、反応炉内を5分間排気して炉内圧力を10-3Paとした後、バルブ16及び21を開け、SiH2Cl2を20cc/min 、NH3を600cc/min同時に流し、80Paの圧力下でSi34膜を100nm堆積した。その後、バルブ16及び21を閉じ、炉内排気とN2 パージを行った後、常圧として試料基板15を取り出した。
【0022】この工程に要した時間を図5に示す。同図には、多結晶Si膜堆積後、いったんウェハを反応炉外に取り出し、その後、Si34膜を堆積した従来法における結果も合わせて示した。なお、従来法における多結晶Si膜堆積条件は、炉内温度630℃,圧力100Pa.ガス流量SiH4/PH3=200/0.5cc/minである。膜堆積を別々の反応炉で行った従来法では、5時間30分という長時間を要した。これに対し、同一温度で同一反応炉内で連続堆積した本発明では、ウェハ処理に要した時間は3時間20分と、従来に比べ所要時間を61%に短縮できた。
【0023】本実施例によれば、SiH2Cl2とPH3 を原料ガスに用いたLPCVD法により不純物を導入しながら多結晶Si膜を堆積し、その後、同一温度で同一炉内においてSi34膜を堆積することにより、LSI製造工程の高スループット化が図れる。
【0024】なお、本実施例では、Si34膜の堆積にあたり原料ガスにSiH2Cl2を用いたが、これに代えてSiH4を用いても同様の効果が得られる。
【0025】(実施例4)本実施例では、実施例2で示した不純物を導入した多結晶Si膜とSiO2 膜の連続堆積をMOSトランジスタのゲート電極形成に用いた例について述べる。
【0026】図6に製造工程の概略図を示す。まず、抵抗率10Ω・cm,面方位(100)のp型Si基板101の表面に、公知の選択酸化技術により素子分離用酸化膜102を形成した(図6(a))。
【0027】次いで、湿式酸化法により10nmのゲート酸化膜103を形成した。次に実施例2で述べた方法により、同一反応炉内,同一温度で、リンを導入した多結晶Si膜104を150nm、SiO2 膜105を200nm連続して堆積した。リンを導入した多結晶Si膜のCVD条件は、SiH2Cl2/PH3/N2流量=100/0.5/100cc/min、圧力180Paとした。また、SiO2 膜のCVD条件は、SiH4/N2O=40/1300cc/minである。堆積温度は750℃とした。なお、リンを導入した多結晶Si膜104とSiO2 膜105の堆積の間には、5分間の真空排気を行ったのみである。(図6(b))。
【0028】続いて公知のリソグラフィとドライエッチング技術によりSiO2 膜105と不純物を導入した多結晶Si膜104を順次加工した(図6(c))。
【0029】次にイオン打込み法により、Si基板101へヒ素を打込み拡散層106を形成した。その後、SiH4とN2Oを用いたLPCVD法によりSiO2 膜を全面に堆積し、これをSi基板が露出するまで異方性ドライエッチングしてゲート側面にのみSiO2膜107を残存させた(図6(d))。
【0030】その後、公知のCVD法により層間SiO2 膜108を堆積した後、公知のリソグラフィとドライエッチング法により拡散層106に至るコンタクト孔を形成した。続いてスパッタ法によりAl膜109を堆積し、これを加工して引出し電極とした。
【0031】本実施例によれば、不純物を導入した多結晶Si膜とSiO2 膜を連続して堆積することにより、MOSトランジスタ製造に要する時間を従来に比べ5%短縮できる。
【0032】(実施例5)本実施例では、不純物を導入しない多結晶Si膜とSiO2膜の連続堆積を多結晶SiMOSトランジスタ形成に用いた例について述べる。
【0033】図7に製造工程の概略図を示す。まず、抵抗率10Ω・cm,面方位(100)のp型Si基板201の表面に熱酸化膜202を200nm形成した。続いてSi26とB26を用いたLPCVD法によりボロンを導入した非晶質Si膜203を150nm堆積し、その後、800℃のN2 雰囲気中で20分間熱処理し、膜の結晶化を行った。その後、公知のリソグラフィとドライエッチング技術によりボロンを導入した多結晶Si膜203を加工し、ゲート電極とした(図7(a))。
【0034】次に、同一温度,同一炉内において、LPCVD法により、SiO2 膜204を20nm、不純物を導入しない多結晶Si膜205を40nm連続して堆積した。SiO2 膜のCVD条件は、ガス流量比SiH4/N2O=20/1000cc/min ,圧力120Paである。また、不純物を導入しない多結晶Si膜のCVD条件は、SiH2Cl2/N2流量=100/300cc/min,圧力200Paとした。堆積温度はともに750℃とした。なお、SiO2 膜204と多結晶Si膜205の堆積の間には、5分間の真空排気を行ったのみである。その後、フォトレジストをマスクに用いて多結晶Si膜205にBF2+イオン打込みを行い、900℃のN2 雰囲気で20分間熱処理を行って拡散層206を形成した(図7(c))。
【0035】その後、CVD法により層間膜207を堆積し、拡散層206に至るコンタクト孔を形成した。その後、スパッタ法によりAl膜208を堆積し、これを加工して引出し電極とした。
【0036】本実施例によれば、多結晶SiMOSトランジスタ製造に要する時間を従来に比べ7%短縮することができる。また、連続堆積によりゲート酸化膜上に付着する異物数が減少し、多結晶SiMOSトランジスタの歩留が5%向上するという効果も得られた。
【0037】(実施例6)本実施例では、不純物を導入した多結晶Si膜/SiO2 膜/Si34膜/SiO2膜/不純物を導入した多結晶Si膜/SiO2膜を同一温度の同一反応炉内で順次堆積し、一括消去型のEEPROMを作成した例について述べる。図8に製造工程の概略図を示す。
【0038】まず、抵抗率10Ω・cm,面方位(100)のp型Si基板301の表面に、周知の選択酸化技術により素子分離膜302を形成した(図8(a))。
【0039】次いで、湿式酸化法により、8nmのゲート酸化膜303を形成した。その後、800℃の反応炉内で、LPCVD法により、不純物を導入した多結晶Si膜304を150nm、SiO2 膜305を5nm、Si34膜306を10nm、SiO2 膜307を5nm、不純物を導入した多結晶Si膜308を100nm、SiO2 膜309を200nm連続して堆積した。膜と膜の堆積の間は10分間の真空排気のみとし、ウェハの炉外への取出しは行わなかった。各膜のCVD条件は、不純物を導入した多結晶Si膜304及び308が炉内圧力200Pa、ガス流量SiH2Cl2/PH3/N2=100/0.5/100cc/min,SiO2膜305及び307が炉内圧力150Pa、SiH2Cl2/N2O=30/1200cc/min,SiO2膜309が炉内圧力200Pa,SiH2Cl2/N2O=40/1500cc/min,Si34膜306が炉内圧力80Pa,SiH2Cl2/NH3=20/600cc/minである(図8(b))。
【0040】その後、公知のリソグラフィとドライエッチング技術により、同一マスクを用いてLPCVD膜309から305を順次加工し、制御ゲートと浮遊ゲートを形成した(図8(c))。
【0041】その後、リン及びヒ素イオンを順次打込み、900℃の窒素雰囲気中で10分間熱処理して、ソース・ドレインとなる拡散層310を形成した。その後、SiH4とN2Oを用いたLPCVD法によりSiO2 膜を全面に堆積し、これをSi基板が露出するまで異方性ドライエッチングしてゲート側面にのみSiO2膜311を残した(図8(d))。
【0042】その後、公知のCVD法により層間SiO2 膜312を堆積した後、公知のリソグラフィとドライエッチング法により拡散層310に至るコンタクト孔を形成した。続いてスパッタ法によりAl膜313を堆積し、これを加工して引出し電極とした。
【0043】本実施例によれば、従来3種類の反応炉を用いて6回の薄膜堆積を行っていたゲート形成工程を一つの反応炉で連続して行うことができ、製造工程の大幅なスループット向上が図れた。
【0044】なお、本実施例では、不純物を導入した多結晶Si膜/SiO2膜/Si34膜/SiO2膜/不純物を導入した多結晶Si膜/SiO2膜の6層を同一反応炉内,同一温度で連続して堆積したが、このうちの少なくとも相接する2層を連続して堆積しただけでも本発明の効果が得られる。また、Si34膜とSiO2 膜の堆積において原料ガスにSiH2Cl2を用いたが、これに代えてSiH4 を用いても同様の効果が得られる。
【0045】なお、上記実施例1から6においては、横型拡散炉タイプのLPCVD装置を用いて薄膜を堆積したが、縦型拡散炉タイプのLPCVD装置を用いても同様の効果が得られる。また、枚葉型のLPCVD装置を用いても、ヒータの種類に関係なく同様の効果が得られる。
【0046】なお、実施例2から6では、異なる膜を同一温度の同一反応炉内で連続して堆積する際、堆積と堆積の間に5〜10分の真空排気を行った。しかし、膜特性に問題がなければ、この真空排気の工程は省略してもよい。この場合、スループットが更に向上する。
【0047】なお、実施例1から6では、多結晶Si膜及びSiO2膜、Si34 膜の堆積温度を700℃より低温とすると、堆積速度が著しく低下した。また、膜堆積温度を900℃より高温とすると、SiO2 膜あるいはSi34膜堆積反応が供給律速となり、ウェハ間及びウェハ面内の均一性が劣化し、スループットの低下を生じた。従って、膜堆積温度は700℃以上、900℃以下とすることが好ましい。しかし、温度範囲以外であっても、異なる複数種類の薄膜を同一反応炉内,同一温度で連続して堆積できれば本発明と同様の効果が得られる。例えば、図2に示したように、不純物を導入した多結晶Si膜は、従来、450〜650℃で堆積を行っていたが、有機ソースを用いた新たな方法により同程度の温度でSiO2膜が堆積可能となれば、本発明と同様の効果が得られる可能性がある。
【0048】また、リンを導入した多結晶Si膜を電極として用いる場合には、膜の抵抗率を1mΩ・cm程度以下とすることが好ましい。このためには、多結晶Si膜中のリン濃度を5×1019/cm3 とする必要がある。
【0049】なお、不純物導入の有無に関係なく、SiH2Cl2を原料ガスに用いて700℃〜900℃程度の温度で多結晶Si膜を堆積しようとした場合、希釈ガスにH2 を用いると、下地によって結晶の核生成が大きく異なり、Si基板上に比べSiO2 膜上での堆積速度が著しく低下する。従って、希釈ガスにはN2 、あるいはHe,Ar,Xe等の不活性ガスを用いる必要がある。
【0050】なお、連続薄膜形成の適用例として、本発明では単体MOSトランジスタについて説明したが、他の半導体装置、例えばバイポーラトランジスタやMOSキャパシタであってもよい。また、これらの複合体であってもよい。
【0051】
【発明の効果】本発明によれば、異なる薄膜を同一炉内で連続して堆積することができる。従って、ウェハの取り出しや真空排気等、膜堆積以外に要していた時間を短縮することが可能である。よって、LSI製造工程のスループットの向上が図れる。




 

 


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