(57)【要約】【課題】シングルウエハ方式のチャンバー内で化学気相蒸着方式を用いて多結晶ポリシリコン薄膜を蒸着する方法を提供する。【解決手段】シリコンソースガスとしてＳｉＨ４（Ｓｉｌａｎｅ）ガスを用い、その蒸着圧力を利用する構成によって、多結晶ポリシリコン薄膜の微細な柱状の結晶粒子として制御し、電気的特性の均一度を向上させて特性低下を防止する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングルウエハ方式を用いた化学気相蒸着工程によって薄膜を製造する方法であって、
シリコンソースガスはＳｉＨ４（Ｓｉｌａｎｅ）ガスとし、工程温度は６４０℃〜７７０℃の範囲とすることを特徴とする、多結晶ポリシリコン薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記薄膜の製造方法による表面の粗さが、２であることを特徴とする、請求項１に記載の多結晶ポリシリコン薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記工程温度は６４０℃〜６８０℃とし、かつ、工程圧力は１０Ｔｏｒｒ以下として、薄膜の結晶構造が柱状形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の多結晶ポリシリコンの薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記工程温度は６４０℃〜６８０℃とし、かつ、工程圧力は１０Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒの範囲にして結晶質及び非晶質シリコン薄膜を形成することを特徴とする、請求項１に記載の多結晶ポリシリコンの薄膜の製造方法。
【請求項５】
前記工程温度は６４０℃〜６８０℃とし、かつ、工程圧力は５０Ｔｏｒｒ以上の範囲にして非晶質シリコン薄膜を形成することを特徴とする、請求項１に記載の多結晶ポリシリコン薄膜の製造方法。
【請求項６】
シングルウエハ方式を用いた化学気相蒸着工程によって薄膜を製造する方法であって、
シリコンソースガスはＳｉ２Ｈ６ガスとし、工程温度は６４０℃〜７８０℃の範囲にすることを特徴とする、多結晶ポリシリコン薄膜の製造方法。
【請求項７】
工程圧力は１０Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒの範囲とすることを特徴とする、請求項６に記載の多結晶ポリシリコン薄膜の製造方法。
【請求項８】
シングルウエハ方式を用いた化学気相蒸着工程によって薄膜を製造する方法であって、
シリコンソースガスはＳｉ２Ｈ６ガスまたはＳｉＨ４とし、かつ、不純物ガスとしてＨ２ガスを同時に注入し、この時に工程圧力を１〜５０ｔｏｒｒにすることを特徴とする、多結晶ポリシリコン薄膜の製造方法。
【請求項９】
前記シリコンソースガスであるＳｉＨ４ガスの流量は、１〜３００ＳＣＣＭであることを特徴とする、請求項１に記載の多結晶ポリシリコン薄膜の製造方法。
【請求項１０】
請求項１に記載された化学気相蒸着方法を使用する多結晶ポリシリコン薄膜の製造装置であって、
ガス供給のための導入部（１２）と蒸着後のガス排出のための真空ポート（１７）とが形成されるチャンバー（１１）と、
前記導入部（１２）を介して供給されたガスを噴射するシャワーヘッド（１３）と、
蒸着のためのウエハが載置されるヒーター（１４）と、
前記ヒーター（１４）を支持するヒーター支持台（１６）と、
を有する多結晶ポリシリコン薄膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シングルウエハ方式を用いた化学気相蒸着工程によって薄膜を製造する方法に係り、特に、シングルチャンバー内で化学反応によってウエハ上に薄膜を形成する化学気相蒸着工程を利用するものであって、シリコンソースガスはＳｉＨ４（Ｓｉｌａｎｅ）ガスとし、微細結晶粒を制御することを目的としてその薄膜蒸着圧力を一定に制御する方法を利用する構成によって、形成される薄膜の微細結晶構造を柱状にした、薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、多結晶ポリシリコンの薄膜形成時に最も重要な要素には、反応ソースガスの選定及び装備選定並びにそれに伴う蒸着圧力条件がある。
【０００３】
従来、縦型炉（ｆｕｒｎａｎｃｅ）方式が使われてきたが、このような方式では、薄い厚さのシリコン結晶構造を持つ薄膜を製造する場合、その厚さを４００Å以下にすると、多結晶質の結晶構造を持つ薄膜の製造はほとんど不可能であるという問題があった。そこで、非晶質薄膜を製造し、そこに結晶を形成させて素子に適用する方案が提示されたが、この場合にも、図１に示すように、結晶が極めて不均一に形成されるので、これを半導体フラッシュメモリなどのフローティングゲート（ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｇａｔｅ）電極として使用すると、製造された素子の過消去（ｏｖｅｒ  ｅｒａｓｅ）現象のような問題点により素子の閾値電圧シフト（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｖｏｌｔａｇｅ  ｓｈｉｆｔ）等による均一度、耐久力、そして信頼性の側面において素子のＶＴ均一度などが非常に低くなり、素子特性の低下につながる等の問題点があった。これについてより詳細に説明すると、下記の通りである。
【０００４】
まず、一定の工程温度で、通常、６５０℃以下の工程温度でＳｉＨ４ガスやＳｉ２Ｈ６ガスを使って、結晶質の形成されない非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）シリコン薄膜を成長させる工程と、以降、後続の一定の熱工程（例えば、６５０℃〜９００℃の工程温度）によって成長された薄膜を結晶化させる工程を行うと、図１に示すような結果が得られる。図１は、薄膜の平面結晶構造を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で撮影した写真である。
【０００５】
このような工程によってフラッシュメモリのような素子のゲート電極を形成する場合、その薄膜の結晶化したグレンサイズ（ｇｒａｉｎ  ｓｉｚｅ）は、非常に不均一になり、数十Å〜数百μｍ大きさのグレンが形成される。これを用いてトランジスタを形成する場合、グレンの大きい領域では結晶粒界面（ｇｒａｉｎ  ｂｏｕｎｄａｒｙ）が１〜２個形成される反面、グレンの非常に小さい領域では結晶粒界面が多く形成されるので、トランジスタにおける電子の移動速度には差が生じ、また、結晶粒（Ｇｒａｉｎ）と結晶粒とが会う領域の下部トンネル酸化膜（Ｔｕｎｎｅｌ  ｏｘｉｄｅ）がオキサイドバレー（ｏｘｉｄｅ  ｖａｌｌｅｙ）という形態の区域となるが、この場合、大きい結晶粒同士間の結晶界面の下部は、より大きい形態のオキサイドバレーが形成され、これは、後続のｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  ｐｏｌｙ工程形成時に、リン（ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ）の濃度（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）をより大きくし、ローカル障壁高さ（ｌｏｃａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｈｅｉｇｈｔ）を減少させ、素子駆動時に過消去地点（ｏｖｅｒ  ｅｒａｓｅ  ｐｏｉｎｔ）となるか、または、リンによる電子閉じ込め形成部位（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｔｒａｐ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｓｉｔｅ）となり、素子の信頼性を大きく低下させる原因となる。また、その結果、トランジスタが形成されてから素子を稼動する際に、電子の移動度の差によって、素子の一チップ内に含まれている数個のトランジスタの駆動能力が異なってくるので、素子特性が非常に劣化するという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、化学気相蒸着方式を用いることによりその結晶構造が微細な柱状の結晶形態を持つ多結晶ポリシリコン薄膜を製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的は、シングルチャンバー内で化学反応によってウエハ上に薄膜を形成する化学気相蒸着工程を利用することと、これを具現するための反応ガスとしてはＳｉＨ４（Ｓｉｌａｎｅ）ガスを使用し、その結晶構造を形成させるために一定の圧力下で実施する工程及びその装置によって達成されることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、シングルウエハ方式のチャンバー内で化学気相蒸着方式を用いて、柱状の結晶構造を持つ多結晶シリコン薄膜を蒸着する方法であって、シリコンソースガスとしてはＳｉＨ４（Ｓｉｌａｎｅ）ガスを用い、工程温度と工程圧力を一定の範囲内にして結晶粒を制御する工程方法によって薄膜を蒸着する場合、柱状の多結晶ポリシリコン薄膜及び均一な結晶質を形成することができ、半導体素子においてフラッシュメモリのフローティングゲート用電極として用いる場合、均一な形態の結晶粒を形成でき、かつ、結晶粒と結晶粒間の結晶粒界部の下部にトンネルオキサイド（ｔｕｎｎｅｌ  ｏｘｉｄｅ）と会う部分のオキサイドバレー（ｏｘｉｄｅ  ｖａｌｌｅｙ）も均一な形態とすることができ、耐久性及び信頼性ある素子特性を確保することができ、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ及びＬＯＧＩＣ素子でその特性を利用する場合、優れた素子特性を確保でき、これを用いて半導体素子を製造すると、素子の収率向上及び素子の特性改善効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、実施例と添付の図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１０】
本発明は、上記のように、シングルチャンバーを用いて化学気相蒸着をする方式で、半導体素子において結晶構造が微細な柱状（ｃｏｌｕｍｎａｒ）の結晶形態を持つ多結晶ポリシリコン薄膜を形成する方法に関する。
【００１１】
一般に、化学気相蒸着とは、気体状態のソースガスを供給して基板との化学的反応を誘導することによって、半導体基板上に薄膜を形成する工程のことをいう。
【００１２】
このような化学気相蒸着をシングルチャンバー内で行う本発明を、図２を参照しつつ説明する。
【００１３】
まず、チャンバー１１内に、ソースガスが導入される導入部１２が形成される。この導入部１２を介して導入されたガスは、シャワーヘッド１３からチャンバー１１内に噴き出される。
【００１４】
また、蒸着対象となるウエハ１５がヒーター１４上に置かれ、このヒーター１４は、ヒーター支持台１６によって支持される。このような装置で蒸着を終えた後、ガスは真空ポート１７から排出される。
【００１５】
このようなシングルウエハ方式の化学気相蒸着方法では、ＳｉＨ４ガスがチャンバー１１内に流入し、熱分解によって分解された反応ガスがヒーター上に配置された基板上に表面移動を通じて蒸着される。この時、蒸着させる温度と圧力条件が、本発明の主な特許構成要件となる。
【００１６】
図３は、本発明による工程方法を用いて形成したシリコン薄膜に関するグラフで、同図において、横軸は、薄膜製造工程における設定温度であり、縦軸は、蒸着された薄膜の結晶特性がわかる屈折率(Ｒ．Ｉ)値を表す。
【００１７】
屈折率が４．５に近づくほど非晶質シリコン薄膜の成長状態を表し、屈折率が４．０に近づくほど、結晶化された多結晶シリコン薄膜に近い結晶構造を有する結晶質が形成される。
【００１８】
一方、結晶質とは、原子配列において３次元的な周期性を持つ固体を指すもので、特に周期性を持たない固体を非晶質の物質という。このような非晶質状態を用いた半導体としては、非晶質シリコンが挙げられる。このような非晶質半導体は、低温で大面積の蒸着が可能なので、薄膜のトランジスタとして使われる。
【００１９】
図３に示すように、温度が６４０℃〜６８５℃の温度範囲で、圧力によって測定される屈折率の変化が発生するが、例えば、６５０℃の場合には、工程に流入するソースガスが一定な時には、その工程圧力が１０ｔｏｒｒでは測定される屈折率値が４．０に近づき、柱状の多結晶ポリシリコン薄膜が形成されることがわかり、一方、蒸着される工程圧力を１００Ｔｏｒｒ以上にすると、測定される屈折率が４．５に近づくことが見られ、非晶質シリコン薄膜が形成されることが分かる。他の例として、供給されるソースガスが一定である時、６８５℃以上の工程温度では、所定の圧力以下に制御してもそれ以上の非晶質シリコン薄膜は形成されないということがわかる。すなわち、６８５℃の工程温度では、１０ｔｏｒｒ以下の圧力では多結晶質のポリシリコン薄膜を形成することができるだけでなく、圧力が１００ｔｏｒｒ以上の工程条件でも、測定される屈折率が４．０の値に近付くことが見られ、多結晶質のポリシリコン薄膜を形成することが可能になるといえる。
【００２０】
一方、蒸着された薄膜の性能を評価する係数として表面荒さを用いるが、本発明では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を利用し、算出方法はＲＭＳ（Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）とした。その結果、表面粗さが２である場合が、最も好ましいことがわかった。
【００２１】
図４及び図５は、６８５℃の工程温度と１０Ｔｏｒｒの圧力における結晶質シリコン薄膜の蒸着に関する結晶構造を示す図であり、図６及び図７は、７３０℃の工程温度と１０Ｔｏｒｒの圧力における結晶質シリコン薄膜の蒸着に関する結晶構造を示す図である。
【００２２】
以上では、本発明の思想に基づき、ソースガスとしてＳｉＨ４ガスを用いる例について説明したが、これに限定されず、ソースガスとしてＳｉ２Ｈ６を用い、本発明で具現しようとする発明の思想、一定の温度と一定の圧力下で柱状形態の結晶粒を形成すること、等軸形状の結晶粒または非晶質シリコン薄膜を混在させる結晶構造、または、非晶質シリコン薄膜を形成させる薄膜を形成することを特徴とする本発明の他の実施例も可能である。
【００２３】
なお、本発明の思想に基づき、ソースガスとしてＳｉＨ４ガスを用いた例に限定されず、ソースガスとしてＳｉ２Ｈ６ガスを用いて本発明で具現しようとする思想、一定の温度と一定の圧力下で柱状形態の結晶粒を形成する際に、Ｈ２などのような不純物ガスを注入しながら必ず一定の圧力に制御して等軸形状の結晶粒または非晶質シリコン薄膜を混在させる結晶構造、または、非晶質シリコン薄膜を形成させる薄膜を形成することを特徴とする本発明のさらに他の実施例も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】既存工程を用いた場合に形成された、極めて不均一な結晶粒を持つ多結晶シリコン薄膜を示す概念図である。
【図２】本発明のシングルチャンバーを示す概念図である。
【図３】本発明によって形成された薄膜の結晶構造に関するグラフである。
【図４−５】本発明の一実施例によって形成された柱状形態の多結晶シリコン薄膜の結晶粒構造を示す概念図である。
【図６−７】本発明の他の実施例によって形成された柱状形態の多結晶シリコン薄膜の結晶粒構造を示す概念図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１    チャンバー
１２    導入部
１３    シャワーヘッド
１４    ヒーター
１５    ウエハ
１６    ヒーター支持台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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