(57)【要約】【課題】  品質劣化や新たな追加投資を招くことなく、所望の不純物濃度に制御されたシリコン薄膜を均一、かつ、均質に形成してドープトポリシリコンからなる配線層を形成する。【解決手段】  半導体基板１上の絶縁膜２上に、ＣＶＤ法により不純物を含む第１シリコン層３ａと、不純物を含まない第２シリコン層３ｂとを同一反応炉内で連続的に各１回堆積して所望の膜厚とするシリコン成膜工程と、熱処理により第１シリコン層３ａから第２シリコン層３ｂへ不純物を均一に拡散させる不純物拡散工程と、このようにして不純物が均一に拡散されたシリコン薄膜３ｃを配線パターンに加工する工程とを有している。【選択図】  図１
2007005385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にドープトポリシリコンからなる配線層を有する半導体装置の製造方法において、
該基板上に形成された絶縁膜上に、ＣＶＤ法により不純物を含む第１シリコン層と、不純物を含まないか、または該第１シリコン層よりも不純物濃度が低い第２シリコン層を同一反応炉内で連続的に堆積して所望の膜厚とするシリコン層成膜工程と、
熱処理により該第１シリコン層から該第２シリコン層へ不純物を均一に拡散させる熱処理工程と、
不純物が均一に拡散されたシリコン薄膜を所定の配線パターンに加工する工程とを有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
基板上にドープトポリシリコンからなる配線層を有する半導体装置の製造方法において、
該基板上に形成された絶縁膜上に、ＣＶＤ法により不純物を含む第１シリコン層と、不純物を含まないか、または該第１シリコン層よりも不純物濃度が低い第２シリコン層を同一反応炉内で連続的に堆積する処理を複数回繰り返して所望の膜厚まで積層成膜するシリコン層成膜工程と、
熱処理により該第１シリコン層から該第２シリコン層へ不純物を均一に拡散させて該シリコン層の積層膜内全域に不純物を均一に拡散させる工程と、
不純物が均一に拡散されたシリコン薄膜を所定の配線パターンに加工する工程とを有する半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１シリコン層および前記第２シリコン層の不純物含有濃度と、該第１シリコン層および該第２シリコン層の膜厚比率との少なくとも一方を変化させることにより、最終的に所望の不純物濃度に制御されたシリコン薄膜を作製する請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記配線層は、トランジスタのゲート電極、ソース領域およびドレイン領域に接続される配線と、積層容量部の電極との少なくともいずれかである請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１シリコン層の成膜条件は、リン濃度が５Ｅ１９〜２１（５×１０の１９〜２１乗）（ａｔｏｍ／ｃｍ３）、反応温度を摂氏５００〜５８０度、圧力を０．１〜５．０Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を１００〜３０００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１０〜５００ｓｃｃｍ、ＰＨ３が窒素により希釈されたガスを流量１〜１００ｓｃｃｍとして供給する請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記不純物を含まない第２シリコン層の成膜条件は、反応温度を摂氏５００〜５８０度、圧力を０．１〜５．０Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を１００〜３０００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を５０〜５００ｓｃｃｍとして供給する請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１シリコン層よりも不純物濃度が低い第２シリコン層の成膜条件は、リン濃度が５Ｅ１９〜２１（５×１０の１９〜２１乗）（ａｔｏｍ／ｃｍ３）、反応温度を摂氏５００〜５８０度、圧力を０．１〜５．０Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を１００〜３０００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１０〜５００ｓｃｃｍ、ＰＨ３が窒素により希釈されたガスを流量０．１〜１００ｓｃｃｍとして供給する請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記の不純物を均一に拡散させる工程として、通常の熱拡散炉により毎分摂氏２度〜２００度の昇温速度で摂氏８００〜１０５０度まで昇温させ１０〜１２０分間保持した後、自然若しくは強制空冷する請求項１、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記の不純物を均一に拡散させる工程として、高速昇温炉により毎秒摂氏５〜４０度の昇温速度で摂氏１０００〜１０５０度まで昇温させて１０〜６０秒間保持した後、自然若しくは強制冷却する請求項１、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法によって製造された配線層を有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば固体撮像装置などに用いられ、ドープトポリシリコンからなる配線層を有する半導体装置の製造方法および、この半導体装置の製造方法によって製造された配線層を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の従来の半導体装置において、ポリシリコン配線は、トランジスタのゲート電極、ソース領域およびドレイン領域に接続される配線や、積層容量部の電極として広く利用されている。
【０００３】
この配線層の形成方法として、減圧ＣＶＤ法により、配線層形成前のモジュールにシランなどのシリコン材料ガスを供給しつつ、電気抵抗低下のための不純物添加ガス（ＰＨ３など）をポリシリコン薄膜製造中に同時に供給するｉｎ−ｓｉｔｕドーピング法がしばしば用いられている。
【０００４】
従来、ｉｎ−ｓｉｔｕドーピング法によるポリシリコン薄膜形成においては、反応炉中に供給されるシリコン材料ガスと不純物材料ガスとの供給比率および各々の分圧を一定に制御した状態で、所望の膜厚まで成膜が行われる。また、膜中の不純物濃度は、供給される不純物材料ガスの分圧を変更することにより制御されている。
【０００５】
このｉｎ−ｓｉｔｕドーピング法によるポリシリコン薄膜形成において、使用される典型的な装置形式は、いわゆるラージバッチ（一括多量処理）方式の縦型熱処理炉である。このラージバッチ方式の縦型熱処理炉では、少なくとも２５枚から２００枚程度の被処理基板が、反応炉の一端、典型的には下部に設置されたガスノズルから供給されて上方へ向かうガス流に対して垂直に保持されて成膜が行われる。このとき、全ての被処理基板は、緻密に温度制御された均熱領域に配置されるが、ガスノズルから離れるにしたがって、材料ガスの枯渇が発生し、被処理基板面間で膜厚および不純物濃度の均一性が劣化してしまうという問題がある。
【０００６】
従来、この被処理基板面間での膜厚および不純物濃度の均一性劣化を抑制する手法としては、例えば特許文献１，２に開示されているような技術が挙げられる。これらは、いずれも、反応炉内のガス供給管またはこのガス供給管に設けられたガス噴き出し口をガス流に対して複数箇所設けることによって、ガス流の下流になるにしたがって枯渇する材料ガス濃度を補償して、被処理基板面間での膜厚および不純物濃度の均一性劣化を抑制する手法である。
【０００７】
特許文献３には、コンタクトホールが設けられた半導体基板上に不純物を含まない第１シリコン層と、その上に不純物を含む第２シリコン層とを堆積して熱処理により不純物を拡散させる方法が開示されている。この従来技術は、第２シリコン層から半導体基板に不純物を拡散させて第２シリコン層と半導体基板側とのオーミック接合を形成する際に用いられるものである。
【特許文献１】特開平７−４５５２９号公報
【特許文献２】特開平９−１２９５６２号公報
【特許文献３】特開平４−９３０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、半導体装置の高集積化に伴って微細化が進み、電極用ポリシリコン薄膜形成工程における膜厚および不純物濃度制御性に対する向上要求も高まる一方である。
【０００９】
しかしながら、従来技術のように、反応炉内のガス供給に係る機械的構造を変更する手法では、構造変更およびその最適化に要する時間や資源の追加投資を余儀なくされるばかりか、均一性の許容範囲が狭くなるにしたがって要求を満足させることができなくなる。
【００１０】
例えば、上述した従来技術では、目的とする膜中不純物濃度を制御するために、反応中に供給される不純物材料ガスの分圧比を変更する必要があり、次述の設定条件によっては均質な薄膜が得られなくなる場合がある。例えば、膜中の不純物濃度を低めに制御するため、供給するＳｉＨ４ガスに対するＰＨ３ガスの質量流量比率を極端に下げた場合、反応炉内ガス上流側に配置された基板表面よりも下流側に配置された基板間の膜厚や不純物濃度が低下したり、基板上の膜厚や不純物濃度の均一性も劣化してしまう。これは、ｉｎ−ｓｉｔｕドーピング法によって不純物を含むシリコン薄膜を化学的に気相成長させる場合、不純物材料ガスの分圧を変更すると、反応炉内で局所的に起こる不純物材料ガスの枯渇の影響も変化し、気相反応を均一に保つことができなくなるためである。この均一性劣化が発現する水準は反応炉容積や形状などの物理的要因に左右されるが、典型的にはＳｉＨ４ガスに対するＰＨ３ガスの質量流量比率が１％未満となる時に観察される。
【００１１】
これに対して、上記特許文献１，２に開示されている手法によれば、反応炉内のガス供給管またはこのガス供給管に設けられたガス噴き出し口をガス流に対して複数個設けることによって、下流になるにしたがって枯渇する材料ガス濃度を補償することができるため、ある水準の膜厚および不純物濃度の均一性の劣化を抑制することができる。
【００１２】
しかしながら、目標とする不純物濃度が極めて低く、各材料ガスの供給流量も極小となるような場合には、反応炉内で局所的に起こる不純物材料ガスの枯渇の影響が相対的に大きくなり、反応炉内でガス供給管口などを複数箇所設けるという上記特許文献１，２のガス供給に係る構造の物理的変更だけでは、制御性に限界がある。
【００１３】
このような条件の下では、上述したように均一かつ均質な薄膜を安定して得ることが困難となるため、供給ガス仕様の変更や反応炉の改善など、新たな資源の投資が必要となってしまう。
【００１４】
特許文献３では、第１シリコン層と第２シリコン層との界面で不純物を析出させて半導体基板中への不純物拡散深さを浅くしており、均一な所望の不純物濃度を有するシリコン配線層を形成するためのものではない。
【００１５】
本発明は、上記従来技術の課題を解決するものであり、品質劣化や新たな追加投資を招くことなく、所望の不純物濃度に制御されたシリコン薄膜を均一、かつ、均質に形成してドープトポリシリコンからなる配線層を形成できる半導体装置の製造方法および、これによって製造された半導体装置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】
【００１６】
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上にドープトポリシリコンからなる配線層を有する半導体装置の製造方法において、該基板上に形成された絶縁膜上に、ＣＶＤ法により不純物を含む第１シリコン層と、不純物を含まないか、または該第１シリコン層よりも不純物濃度が低い第２シリコン層を同一反応炉内で連続的に堆積して所望の膜厚とするシリコン層成膜工程と、熱処理により該第１シリコン層から該第２シリコン層へ不純物を均一に拡散させる熱処理工程と、不純物が均一に拡散されたシリコン薄膜を所定の配線パターンに加工する工程とを有し、そのことにより上記目的が達成される。
【００１７】
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上にドープトポリシリコンからなる配線層を有する半導体装置の製造方法において、該基板上に形成された絶縁膜上に、ＣＶＤ法により不純物を含む第１シリコン層と、不純物を含まないか、または該第１シリコン層よりも不純物濃度が低い第２シリコン層を同一反応炉内で連続的に堆積する処理を複数回繰り返して所望の膜厚まで積層成膜するシリコン層成膜工程と、熱処理により該第１シリコン層から該第２シリコン層へ不純物を均一に拡散させて該シリコン層の積層膜内全域に不純物を均一に拡散させる工程と、不純物が均一に拡散されたシリコン薄膜を所定の配線パターンに加工する工程とを有し、そのことにより上記目的が達成される。
【００１８】
また、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法において、前記第１シリコン層および前記第２シリコン層の不純物含有濃度と、該第１シリコン層および該第２シリコン層の膜厚比率との少なくとも一方を変化させることにより、最終的に所望の不純物濃度に制御されたシリコン薄膜を作製する。
【００１９】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法における配線層は、トランジスタのゲート電極、ソース領域およびドレイン領域と、積層容量部の電極との少なくともいずれかである。
【００２０】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法における第１シリコン層の成膜条件は、リン濃度が５Ｅ１９〜２１（５×１０の１９〜２１乗）（ａｔｏｍ／ｃｍ３）、反応温度を摂氏５００〜５８０度、圧力を０．１〜５．０Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を１００〜３０００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１０〜５００ｓｃｃｍ、ＰＨ３が窒素により希釈されたガスを流量１〜１００ｓｃｃｍとして供給する。
【００２１】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法において、前記不純物を含まない第２シリコン層の成膜条件は、反応温度を摂氏５００〜５８０度、圧力を０．１〜５．０Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を１００〜３０００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１０〜５００ｓｃｃｍとして供給する。
【００２２】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法において、前記第１シリコン層よりも不純物濃度が低い第２シリコン層の成膜条件は、リン濃度が５Ｅ１９〜２０（５×１０の１９〜２０乗）（ａｔｏｍ／ｃｍ３）、反応温度を摂氏５００〜５８０度、圧力を０．１〜５．０Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を１００〜３０００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１０〜５００ｓｃｃｍ、ＰＨ３が窒素により希釈されたガスを流量０．１〜１００ｓｃｃｍとして供給する。
【００２３】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法における熱処理は、通常の熱拡散炉により毎分摂氏２度〜２００度の昇温速度で摂氏８００〜１０５０度まで昇温させ１０〜１２０分間保持した後、自然若しくは強制空冷するか、或いは高速昇温炉により毎秒摂氏５〜４０度の昇温速度で摂氏１０００〜１０５０度まで昇温させ１０〜６０秒間保持した後、自然若しくは強制冷却する。
【００２４】
本発明の半導体装置は、本発明の上記半導体装置の製造方法によって製造された配線層を有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２５】
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。
【００２６】
本発明においては、従来のように、目的とする不純物濃度で所望の膜厚まで一定条件で成膜するのではなく、不純物を含む第１シリコン層と、不純物を含むか、または第１シリコン層よりも不純物濃度が低い第２シリコン層を交互に堆積して所望の膜厚とする。その後に、熱処理を加えて、第１シリコン層から第２シリコン層へ不純物を均一に拡散させ、最終的に膜面全域で目的とする不純物濃度のシリコン薄膜が得られる。
【００２７】
または、不純物を含む第１シリコン層と、不純物を含むか、または第１シリコン層よりも不純物濃度が低い第２シリコン層を交互に堆積する処理を複数回繰り返して所望の目的の膜厚まで積層成膜する。その後に、熱処理を加えて、積層成膜内で均一または、不純物が深さ方向において所定の濃度勾配になるように拡散されて、最終的に膜面全域で目的とする不純物濃度となったシリコン薄膜が得られる。
【００２８】
以上によって、本発明では、成膜後の熱処理によって不純物を積層膜内に均一に拡散させて所望の濃度を得る手法であるため、成膜を行う反応炉に対して物理的な構造変更を一切行わず、従来のように不安定な「不純物材料ガスの分圧を下げた条件」を用いずに、膜内全域にわたって均一かつ均質な低濃度のシリコン薄膜を得ることが可能となる。即ち、均一かつ所望の不純物濃度をもつシリコン薄膜を形成することが可能となる。
【００２９】
さらに、特許文献３のように不純物を含まない第１シリコン層上に不純物を含む第２シリコン層を形成するのではなく、ＣＶＤ法により不純物を含む第１シリコン層上に、不純物を含まないか、または第１シリコン層よりも不純物濃度が低い第２シリコン層を形成するので、第２シリコン層の表面に不純物が析出するようなことがなく、この後の熱処理やエッチング工程に於いて不純物析出による不具合が起こらない。
【発明の効果】
【００３０】
以上により、本発明によれば、目的とするシリコン薄膜中の不純物濃度が低く、供給される不純物材料ガスの不純物濃度が極めて高い場合であっても、不純物材料ガスの流量を小流量に制御する必要がないため、安定した成膜反応条件を用いることが可能となり、膜厚および不純物濃度の均一性が良好なシリコン薄膜を得ることができる。
【００３１】
また、低不純物濃度のシリコン薄膜を得るために新たな仕様のガス設備を増設したり、反応炉を改造する必要がなく、製造原価の低減を図ることができる。同様の理由から、他の高濃度不純物ガスを用いる反応炉と供給ガスラインを兼用することが可能となり、製造原価の低減を図ることができる。
【００３２】
さらに、不純物拡散のための熱処理は、従来技術においても不純物の活性化を目的として行われている工程であるため、熱処理を行っても従来からの工程数が増加せず、製造原価の増加にはつながらない。
【００３３】
さらに、不純物を含む第１シリコン層上に、不純物を含まないか、または第１シリコン層よりも不純物濃度が低い第２シリコン層を形成するため、第２シリコン層のシリコン表面に不純物が析出するようなことがなく、この後のエッチング処理などに不純物析出による不具合をなくすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に、本発明の半導体装置の製造方法の実施形態１〜３について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本実施形態１の半導体装置の製造方法における各製造工程を示す縦断面図、図２は、図１の半導体装置の製造方法において成膜処理を行う直前の半導体装置の構造例を示す縦断面図である。
【００３５】
本実施形態１の半導体装置１０は、図２に示すように半導体基板としてのシリコン基板１上に絶縁膜２が形成され、この絶縁膜２上に、図１（ｃ）に示すような所望の不純物濃度のシリコン薄膜３ｃが形成されている。
【００３６】
上記構成の半導体装置１０を製造する方法について説明する。
【００３７】
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン材料ガスＳｉＨ４と不純物材料ガスＰＨ３を用いたｉｎ−ｓｉｔｕ  ＣＶＤ法により、不純物を含む第１シリコン層３ａを成膜し、続いて、不純物材料ガスの供給のみを停止して、不純物を含まない第２シリコン層３ｂを成膜する。
【００３８】
本実施形態１において、不純物を含む第１シリコン層３ａの成膜条件は、リン濃度が５Ｅ２０（５×１０の２０乗）（ａｔｏｍ／ｃｍ３）、膜厚が１２０ｎｍ程度を目標として、反応温度を５３０℃、圧力を０．７Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を５００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１００ｓｃｃｍ、ＰＨ３は窒素により希釈されたガスを流量１５ｓｃｃｍとして供給して、反応時間を８０分とする。
【００３９】
連続的に成膜される、不純物を含まない第２シリコン層３ｂの成膜条件は、膜厚が１２０ｎｍ程度を目標として、反応温度を５３０℃、圧力を０．７Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を５００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１００ｓｃｃｍとして供給し、反応時間は６０分とする。
【００４０】
次に、図１（ｂ）に示すように、不純物を含むシリコン層３ａ内から不純物を含まない低濃度のシリコン層３ｂへ、膜内全域で不純物濃度が均一に拡散されるように熱処理を行う。
【００４１】
本実施形態１では、不純物拡散のための熱処理として、高速昇温炉により毎秒摂氏３０度にて１０３０℃まで昇温させて３０秒間保持した後、毎秒摂氏３０度にて強制空冷させた。
【００４２】
図３は、本実施形態１により得られた半導体装置１０について、熱処理後のＳＩＭＳ分析による深さ方向の不純物プロファイルを示す図である。
【００４３】
図３において、横軸は表面からの深さ（ミクロン）を示し、縦軸はリン濃度（ａｔｏｍ／ｃｍ３）を示している。
【００４４】
図３では、濃度勾配が若干見られるが、熱処理によりリンが拡散され、深さ方向でほぼ均一な濃度の膜が得られることが分かった。
【００４５】
このようにして得られるシリコン薄膜を所望の配線パターンに加工することによって、ドープトシリコンからなる配線層を形成することができる。
【００４６】
なお、上記実施形態１では、所望の膜厚に達するまで第１シリコン層３ａと第２シリコン層３ｂとを各１回ずつ成長させたが、所望の膜厚内であれば、第１シリコン層３ａと第２シリコン層３ｂとを堆積させる各回数は各２回または各３回、それ以上の各複数回であってもよい。
（実施形態２）
本実施形態２では、第１シリコン層３ａと第２シリコン層３ｂとを各２回ずつ成長させる事例について説明する。
【００４７】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、本実施形態２の半導体装置の製造方法における各製造工程を示す縦断面図である。
【００４８】
図４（ｃ）において、本実施形態２の半導体装置２０は、半導体基板としてのシリコン基板１上に絶縁膜２が形成され、この絶縁膜２上に、所望の不純物濃度のシリコン薄膜が形成されている。
【００４９】
上記構成の半導体装置２０を製造する方法について説明する。
【００５０】
まず、図４（ａ）に示すように、絶縁膜２上に、シリコン材料ガスＳｉＨ４と不純物材料ガスＰＨ３を用いたｉｎ−ｓｉｔｕ  ＣＶＤ法により不純物を含む第１シリコン層３ａを成膜し、その後、この第１シリコン層３ａ上に、不純物材料ガスの供給のみを停止して不純物を含まない第２シリコン層３ｂを成膜する。
【００５１】
続いて、不純物材料ガスの供給を再開し、この第２シリコン層３ｂ上に、シリコン材料ガスＳｉＨ４と不純物材料ガスＰＨ３を用いたｉｎ−ｓｉｔｕ  ＣＶＤ法により不純物を含む第１シリコン層３ａを成膜し、その後、この第１シリコン層３ａ上に、不純物材料ガスの供給のみを停止して不純物を含まない第２シリコン層３ｂを成膜する。
【００５２】
本実施形態２において、不純物を含む第１シリコン層３ａの成膜条件は、リン濃度が５Ｅ２０（５×１０の２０乗）（ａｔｏｍ／ｃｍ３）、膜厚が６０ｎｍ程度を目標として、反応温度を５３０℃、圧力を０．７Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を５００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１００ｓｃｃｍ、ＰＨ３は窒素により希釈されたガスを流量１５ｓｃｃｍとして供給して、反応時間は４０分とする。
【００５３】
連続的に成膜される、不純物を含まない第２シリコン層３ｂの成膜条件は、膜厚が６０ｎｍ程度を目標として、反応温度を５３０℃、圧力を０．７Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を５００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１００ｓｃｃｍとして供給し、反応時間は３０分とする。
【００５４】
次に、上記実施形態１の場合と同様に、図４（ｂ）に示すように、不純物を含むシリコン層３ａ内から不純物を含まないかシリコン層３ｂへ、膜内全域で不純物濃度が均一に拡散されるように熱処理を行うことにより、図４（ｃ）に示すように目的とする均一に不純物濃度を有するシリコン薄膜３ｃを得ることができる。
【００５５】
このようにして得られるシリコン薄膜を所望の配線パターンに加工することによって、ドープトシリコンからなる配線層を形成することができる。
（実施形態３）
本実施形態３では、ＣＶＤ法により不純物を含む第１シリコン層３ａと、この第１シリコン層３ａよりも不純物濃度が低い第２シリコン層とを同一反応炉内で連続的に各２回ずつ成長させる事例について説明する。
【００５６】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、本実施形態３の半導体装置の製造方法における各製造工程を示す縦断面図である。
【００５７】
図５（ｃ）において、本実施形態３の半導体装置３０は、半導体基板としてのシリコン基板１上に絶縁膜２が形成され、この絶縁膜２上に、所望の不純物濃度のシリコン薄膜３ｅが形成されている。
【００５８】
上記構成の半導体装置３０を製造する方法について説明する。
【００５９】
まず、図５（ａ）に示すように、絶縁膜２上に、シリコン材料ガスＳｉＨ４と不純物材料ガスＰＨ３を用いたｉｎ−ｓｉｔｕ  ＣＶＤ法により不純物を含む第１シリコン層３ａを成膜し、その後、この第１シリコン層３ａ上に、不純物材料ガスの供給量のみを少なくして、この第１シリコン層３ａよりも不純物濃度が低い第２シリコン層３ｄを成膜する。
【００６０】
続いて、不純物材料ガスの供給量を元に戻して、この第２シリコン層３ｄ上に、シリコン材料ガスＳｉＨ４と不純物材料ガスＰＨ３を用いたｉｎ−ｓｉｔｕ  ＣＶＤ法により不純物を含む第１シリコン層３ａを成膜し、さらにその後、この第１シリコン層３ａ上に、不純物材料ガスの供給量のみを少なくして、この第１シリコン層３ａよりも不純物濃度が低い第２シリコン層３ｄを成膜する。
【００６１】
本実施形態３において、不純物を含む第１シリコン層３ａの成膜条件は、リン濃度が５Ｅ２０（５×１０の２０乗）（ａｔｏｍ／ｃｍ３）、膜厚が６０ｎｍ程度を目標として、反応温度を５３０℃、圧力を０．７Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を５００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１００ｓｃｃｍ、ＰＨ３は窒素により希釈されたガスを流量１５ｓｃｃｍとして供給して、反応時間は４０分とする。
【００６２】
連続的に成膜される、第１シリコン層３ａよりも不純物濃度が低い第２シリコン層３ｄの成膜条件は、リン濃度が１Ｅ２０（１×１０の２０乗）（ａｔｏｍ／ｃｍ３）、膜厚が６０ｎｍ程度を目標として、反応温度を５３０℃、圧力を０．７Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を５００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１００ｓｃｃｍ、ＰＨ３は窒素により希釈されたガスを流量５ｓｃｃｍとして供給して、反応時間は４０分とする。
【００６３】
次に、上記実施形態２の場合と同様に、図５（ｂ）に示すように、不純物を含むシリコン層３ａ内から低濃度のシリコン層３ｄへ、膜内全域で不純物濃度が均一に拡散されるように熱処理を行うことにより、図５（ｃ）に示すように、目的とするに不純物濃度を有するシリコン薄膜３ｅを得ることができる。
【００６４】
このようにして得られるシリコン薄膜３ｅを所望の配線パターンに加工することによって、ドープトシリコンからなる配線層を形成することができる。
【００６５】
図６は、本発明の半導体装置の製造方法の工程フローを従来技術と比較して示すフローチャートである。
【００６６】
本発明の半導体装置１０，２０および３０の製造方法では、図６のＦＬＯＷ２に示すように、不純物を含むシリコン層３ａと、不純物を含まないか、または低濃度のシリコン層３ｂまたは３ｄとを同一反応炉内で連続成膜し、熱処理を行うことにより、不純物を含むシリコン層３ａ内から不純物を含まないか、または低濃度のシリコン層３ｂまたは３ｄへ不純物を、各シリコン層で全体的に均一になるように拡散させることにより、目的とする不純物濃度を有するシリコン薄膜３ｃまたは３ｅを形成する。その後に、そのシリコン薄膜３ｃまたは３ｅを配線パターンに加工する。
【００６７】
これに対して、従来の半導体装置の製造方法では、図６のＦＬＯＷ１に示すように、低濃度のシリコン薄膜を形成し、これに熱処理を行うことにより、不純物を活性化させているだけである。
【００６８】
図６のＦＬＯＷ２に示すように、本発明で行われる不純物拡散のための熱処理は、図６のＦＬＯＷ１に示すように、従来技術でも不純物の活性化を目的として実施されている工程であり、従来技術と比べて工程数が増加せず、製造原価の増大にはつながらない。
【００６９】
以上により、上記実施形態１〜３においては、半導体基板１上の絶縁膜２上に、ＣＶＤ法により不純物を含む第１シリコン層３ａと、不純物を含まないか、または第１シリコン層３ａよりも不純物濃度が低い第２シリコン層３ｂまたは３ｄとを同一反応炉内で連続的に各１回または各２回堆積して所望の膜厚とする工程と、熱処理により第１シリコン層３ａから第２シリコン層３ｂまたは３ｄへ不純物を均一に拡散させる工程と、不純物が均一に拡散されたシリコン薄膜３ｃまたは３ｅを配線パターンに加工する工程とを有している。これによって、品質劣化や新たな追加投資を招くことなく、所望の不純物濃度に制御されたドープトポリシリコン配線層を均一かつ均質に形成することができる。
【００７０】
特に、目的とする膜中不純物濃度が低く、供給される不純物材料ガスの不純物濃度が極めて高い場合でも、不純物材料ガスの供給量を小流量に制御する必要がないため、安定した成膜条件を用いることが可能となって、膜厚および不純物濃度の均一性が良好な膜を得ることができる。
【００７１】
また、低不純物濃度の薄膜を得るために新たな仕様のガス増設や反応炉の改造などの追加投資の必要はなくなり、製造原価の低減に寄与することができる。同様の理由により、他の高濃度不純物ガスを用いている反応炉と供給ガスラインを兼用することが可能となって、製造原価の低減に寄与することができる。
【００７２】
さらに、不純物を含む第１シリコン層３ａ上に、不純物を含まないか、または第１シリコン層よりも不純物濃度が低い第２シリコン層３ｂまたは３ｄを形成するため、第２シリコン層３ｂまたは３ｄのシリコン表面側に不純物が析出するようなことがなく、この後の熱処理やエッチング工程処理時などに不純物析出による不具合をなくすことができる。
【００７３】
なお、上記実施形態１，２において、第１シリコン層３ａと第２シリコン層３ｂまたは３ｄの膜厚比は同じである必要はなく、目的の濃度と濃度勾配によって適宜変更してもよい。
【００７４】
また、上記実施形態３では、不純物を含む第１シリコン層３ａに対して第２シリコン層３ｄも不純物を含み、高濃度の第１シリコン層３ａと低濃度の第２シリコン層３ｄに構成したが、各層の不純物濃度は、目的とする不純物濃度やその濃度勾配によって適宜変更してもよい。
【００７５】
さらに、上記実施形態１〜３では、特に説明しなかったが、第１シリコン層３ａおよび第２シリコン層３ｂまたは３ｄの不純物含有濃度、および第１シリコン層３ａと第２シリコン層３ｂまたは３ｄの膜厚比率の少なくとも一方を変更することにより、最終的に所望の不純物濃度に制御されたシリコン薄膜３ｃまたは３ｅを形成することができる。
【００７６】
さらに、上記実施形態１〜３では、半導体基板１を用いたが、これに限らず、ガラス基板などの絶縁性基板であってもよい。
【００７７】
さらに、上記実施形態１〜３では、第１シリコン層３ａの成膜条件は、その一例として、リン濃度が５Ｅ２０（５×１０の２０乗）（ａｔｏｍ／ｃｍ３）、膜厚が１２０ｎｍ程度を目標として、反応温度を５３０℃、圧力を０．７Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を５００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１００ｓｃｃｍ、ＰＨ２は窒素により希釈されたガスを流量１５ｓｃｃｍとして供給して、反応時間を８０分とするように構成したが、これに限らず、第１シリコン層３ａの成膜条件は、リン濃度が５Ｅ１９〜２１（５×１０の１９〜２１乗）（ａｔｏｍ／ｃｍ３）、反応温度を摂氏５００〜５８０度、圧力を０．１〜５．０Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を１００〜３０００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１０〜５００ｓｃｃｍ、ＰＨ３が窒素により希釈されたガスを流量１〜１００ｓｃｃｍとして供給すればよい。
【００７８】
さらに、上記実施形態１〜３では、不純物を含まない第２シリコン層３ｂの成膜条件は、膜厚が１２０ｎｍ程度を目標として、反応温度を５３０℃、圧力を０．７Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を５００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１００ｓｃｃｍとして供給し、反応時間は６０分とするように構成したが、これに限らず、不純物を含まない第２シリコン層３ｂの成膜条件は、反応温度を摂氏５００〜５８０度、圧力を０．１〜５．０Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を１００〜３０００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１０〜５００ｓｃｃｍとして供給すればよい。
【００７９】
さらに、上記実施形態１〜３では、熱処理は、高速昇温炉により毎秒摂氏３０度の昇温速度にて１０３０℃まで昇温させて３０秒間保持した後に、毎秒摂氏３０度にて強制空冷するように構成したが、これに限らず、通常の熱拡散炉により毎分摂氏２度〜２００度の昇温速度で摂氏８００〜１０５０度まで昇温させ１０〜１２０分間保持した後、自然若しくは強制空冷してもよい。
【００８０】
さらに、上記実施形態１〜３では、第１シリコン層３ａよりも不純物濃度が低い第２シリコン層３ｄの成膜条件は、リン濃度が１Ｅ２０（１×１０の２０乗）（ａｔｏｍ／ｃｍ３）、膜厚が６０ｎｍ程度を目標として、反応温度を５３０℃、圧力を０．７Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を５００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１００ｓｃｃｍ、ＰＨ３は窒素により希釈されたガスを流量５ｓｃｃｍとして供給して、反応時間は４０分とするように構成したが、これに限らず、第１シリコン層３ａよりも不純物濃度が低い第２シリコン層３ｄの成膜条件は、リン濃度が５Ｅ１９〜２０（５×１０の１９〜２０乗）（ａｔｏｍ／ｃｍ３）、反応温度を摂氏５００〜５８０度、圧力を０．１〜５．０Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４流量を１００〜３０００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を１０〜５００ｓｃｃｍ、ＰＨ３が窒素により希釈されたガスを流量０．１〜１００ｓｃｃｍとして供給すればよい。
【００８１】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。  
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、例えば固体撮像装置などに用いられ、トランジスタのゲート電極や積層容量部の電極などとしてドープトポリシリコンからなる配線層を有する半導体装置の製造方法および、この半導体装置の製造方法によって製造された配線層を有する半導体装置において、目的とする膜中不純物濃度が低く、供給される不純物材料ガスの不純物濃度が極めて高い場合であっても、不純物材料ガスの供給量を小流量に制御する必要がないため、安定した成膜条件を用いることが可能となって、膜厚および不純物濃度の均一性が良好なシリコン薄膜を得ることができる。
【００８３】
また、低不純物濃度の薄膜を得るために新たな仕様のガス増設や反応炉の改造などの追加投資の必要はなくなり、製造原価の低減に寄与することができる。また、同様の理由により、他の高濃度不純物ガスを用いている反応炉と供給ガスラインを兼用することが可能となり、製造原価の低減に寄与することができる。
【００８４】
さらに、本発明で行われる不純物拡散のための熱処理は、従来技術でも不純物の活性化を目的として実施されている工程であり、従来技術と比べて工程数が増加せず、製造原価の増大にはつながらない。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態１に係る半導体装置の製造方法における各製造工程を示す縦断面図である。
【図２】図１の半導体装置の製造方法において図１の成膜処理を行う直前の半導体装置の構造例を示す縦断面図である。
【図３】本発明の実施形態１により得られた半導体装置について、熱処理後のＳＩＭＳ分析による深さ方向の不純物プロファイルを示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態２に係る半導体装置の製造方法における各製造工程を示す縦断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態３に係る半導体装置の製造方法における各製造工程を示す縦断面図である。
【図６】本発明の半導体装置の製造方法の工程フローを従来技術と比較して示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８６】
１  シリコン基板
２  絶縁膜
３ａ  リンドープシリコン層
３ｂ  不純物を含まないシリコン層
３ｃ，３ｅ  熱処理により積層膜内全域にわたって均一な不純物濃度となったシリコン薄膜
３ｄ  リンドープシリコン層３ａよりも不純物濃度が低いシリコン層
１０，２０，３０  半導体装置
【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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