(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン膜を形成する方法であって、
反応チャンバ内にウエハを配置するステップであって、前記基板は幅に対する深さのアスペクト比が２以上である開口部を持っているステップと、
前記反応チャンバ内のシリコン含有ガス分圧、前記反応チャンバ内の不純物ガス分圧及び前記シリコン膜の堆積速度を備える堆積条件と、前記シリコン膜のステップカバレージとの関係を決定するステップであって、前記関係が、ステップカバレージと数値Ｘとの関係であって、前記数値Ｘが、下記式
【数１】
0004023865.tif 000005
［式中、（シリコンガス）ｐｐは、シリコン含有ガス分圧であり、５３３〜５３３３Ｐａの値である。（不純物ガス）ｐｐは、不純物ガス分圧であり、０．４９〜２．７Ｐａである。δは、０．７〜０．８５である。Ｒｄは、堆積速度であり、５０〜１２０ｎｍ／ｍｉｎである。ステップカバレージ、ＴＳ／ＴＦ×１００％である。ここで、ＴＳはステップ表面上の膜厚、ＴＦは平坦な表面上の公称膜厚］で表されるステップと、
前記関係により定められた堆積条件を用いて前記基板にシリコン膜を堆積するステップと、を含んでおり、
特定の基板パターン又は微細構造に対する単一パラメータ及びステップカバレージの関係は、
（１）シリコンガス分圧及び不純物ガス分圧の第１の条件の下でシリコン膜を堆積する工程と、
（２）前記堆積速度と前記ステップカバレージを直接の測定により決定する工程と、
（３）前記工程（１）と前記工程（２）を異なるシリコンガス分圧及び不純物ガス分圧を用いて少なくとも更に２回以上繰り返す工程と、
（４）ステップカバレージと値Ｘの関係を示すプロットを生成する工程と、を経ることにより決定される方法。
【請求項２】
幅に対する深さのアスペクト比が２以上である開口部を持っている基板にシリコン膜を堆積する装置であって、
反応チャンバと、
前記反応チャンバ内のサセプタと、
加熱源と、
前記反応チャンバのプロセスガス注入ポートと、
シリコン膜のステップカバレージと、シリコン含有ガス分圧、不純物ガス分圧及び前記シリコン膜の堆積速度を備える堆積条件との関係を記憶するメモリと、を備え、
前記関係が、ステップカバレージと数値Ｘとの関係であって、前記数値Ｘが、下記式
【数１】
0004023865.tif 000006
［式中、（シリコンガス）ｐｐは、シリコン含有ガス分圧であり、５３３〜５３３３Ｐａの値である。（不純物ガス）ｐｐは、不純物ガス分圧であり、０．４９〜２．７Ｐａである。δは、０．７〜０．８５である。Ｒｄは、堆積速度であり、５０〜１２０ｎｍ／ｍｉｎである。ステップカバレージ、ＴＳ／ＴＦ×１００％である。ここで、ＴＳはステップ表面上の膜厚、ＴＦは平坦な表面上の公称膜厚］で表され、
特定の基板パターン又は微細構造に対する単一パラメータ及びステップカバレージの関係は、
（１）シリコンガス分圧及び不純物ガス分圧の第１の条件の下でシリコン膜を堆積する工程と、
（２）前記堆積速度と前記ステップカバレージを直接の測定により決定する工程と、
（３）前記工程（１）と前記工程（２）を異なるシリコンガス分圧及び不純物ガス分圧を用いて少なくとも更に２回以上繰り返す工程と、
（４）ステップカバレージと値Ｘの関係を示すプロットを生成する工程と、を経ることにより決定される、シリコン膜を堆積する装置。
【請求項３】
パターン化された基板上に堆積されるシリコン膜の堆積条件を決定する方法であって、
ａ）  シリコン含有ガス分圧、不純物ガス分圧及び堆積速度を備える堆積条件とステップカバレージとの関係を、前記パターン化された基板上に形成される前記シリコン膜のために決定するステップであって、前記関係が、ステップカバレージと数値Ｘとの関係であって、前記数値Ｘが、下記式
【数１】
0004023865.tif 000007
［式中、（シリコンガス）ｐｐは、シリコン含有ガス分圧であり、５３３〜５３３３Ｐａの値である。（不純物ガス）ｐｐは、不純物ガス分圧であり、０．４９〜２．７Ｐａである。δは、０．７〜０．８５である。Ｒｄは、堆積速度であり、５０〜１２０ｎｍ／ｍｉｎである。ステップカバレージ、ＴＳ／ＴＦ×１００％である。ここで、ＴＳはステップ表面上の膜厚、ＴＦは平坦な表面上の公称膜厚］で表されるステップと、
ｂ）  前記シリコン膜の堆積のために、堆積速度及び不純物ガス分圧を特定するステップと、
ｃ）  前記膜のステップカバレージを特定するステップと、
ｄ）  ステップ（ａ）で定義される前記関係及びステップ（ｂ）で定義される前記不純物ガス分圧及び前記成長速度から、シリコン含有ガス分圧を決定するステップと、
ｅ）  ステップ（ｄ）で定義される前記シリコンガス分圧及びステップ（ｃ）で特定される不純物ガス分圧を用いて、前記シリコン膜を堆積するために、シリコン膜の堆積速度及び堆積温度の関係を決定するステップと、
ｆ）  ステップ（ｂ）で特定される前記堆積速度及びステップ（ｅ）で定義される成長速度及び堆積温度の関係を用いて、前記シリコン膜の堆積温度を決定するステップと、
ｇ）  前記ステップ（ｄ）〜（ｆ）により決定された堆積条件を用いて、パターン化された基板上にシリコン膜を堆積するステップと、を含んでおり、
特定の基板パターン又は微細構造に対する単一パラメータ及びステップカバレージの関係は、
（１）シリコンガス分圧及び不純物ガス分圧の第１の条件の下でシリコン膜を堆積する工程と、
（２）前記堆積速度と前記ステップカバレージを直接の測定により決定する工程と、
（３）前記工程（１）と前記工程（２）を異なるシリコンガス分圧及び不純物ガス分圧を用いて少なくとも更に２回以上繰り返す工程と、
（４）ステップカバレージと値Ｘの関係を示すプロットを生成する工程と、を経ることにより決定される方法。
【請求項４】
前記堆積温度が特定の範囲内にあるか否かを決定し、範囲内にない場合に第２の堆積速度を特定するステップを備え、前記第２の堆積速度が前記第１の堆積速度以下であり、ステップ（ｃ），（ｄ），（ｅ）及び（ｆ）を繰り返す請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記堆積温度が特定の範囲内にあるか否かを決定し、範囲内にない場合に、第２の不純物ガス分圧を特定するステップを備え、前記第２の不純物ガス分圧が前記第１の不純物ガス分圧以下であり、ステップ（ｃ），（ｄ），（ｅ）及び（ｆ）を繰り返す請求項３又は４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体の作製の分野に関し、特に、改善されたステップカバレージを有する、アモルファスシリコン膜及びポリシリコン膜を堆積するための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリシリコン結晶体（ポリシリコン）の薄膜及びアモルファスシリコンの薄膜は、半導体集積回路製造プロセスの至る所で使用されている。これらの膜は、例えば、ゲート電極、スタック又はトレンチコンデンサ、エミッタ、コンタクト、ヒューズ、及びアンチヒューズ(antifuse)の作製に使用される記憶密度を増加するために、デバイスの寸法が小さくなって０．２５ミクロン以下になるにつれて、集積回路のホール、ビア及びトレンチのアスペクト比（アスペクト比＝深さ／幅）も増加しつつある。高アスペクト比（アスペクト比≧２．５）の開口部(opening)を充填するために、良好なステップカバレージ（ステップカバレージ％＝ステップ表面の膜厚／平面の膜厚×１００％）を提供できる堆積プロセスが、空隙の形成なしで、ホールの完全な充填の確保のために要求されている。
【０００３】
十分なステップカバレージを提供することのできる現行方法の一つとしては、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）がある。ＬＰＣＶＤプロセスでは、反応容器は１００〜１０００ミリトールの比較的低圧に排気される。ＬＰＣＶＤプロセスに関して低圧は、シリコン膜を低速（ドープされていない膜の場合は約１００オングストローム／分、ドープされている膜の場合は約２０オングストローム／分）で堆積させる。遅い堆積速度は、良好なステップカバレージを提供しながら膜の堆積がおこなわれるようにする。ｎタイプ不純物がＬＰＣＶＤバッチシステムに導入されて、その場(insitu)でドープされた膜を生成する場合、（品質の）劣等なステップカバレージが生じる。更に堆積速度を減少することは、良好なステップカバレージを得るために必要である。ＬＰＣＶＤプロセスは高品質の膜を形成することができるが、低堆積速度は、多数（例えば１００枚以上）のウエハをバッチタイプの反応容器で同時に処理することを必要とする。複数のウエハを一台の装置で同時に処理する際の問題は、ウエハ毎にそしてバッチ毎に均一な膜厚及び不純物成分を得ることが困難であることである。膜厚における非均一性及びドーピングプロフィールは、作製された膜の電気的特性に強烈にに影響を及ぼし、それゆえ、作製されたデバイスの性能及び信頼性に強烈に影響を及ぼす。膜厚及び面積抵抗の均一性を制御することは、ＬＰＣＶＤバッチシステムにとって、ウエハサイズが３００ｍｍ以上に増加した場合には、一層大きな課題となる。
【０００４】
ウエハ全面に渡り、またウエハ毎に、正確な厚さ及びドーピング均一性を有するポリシリコン膜及びアモルファスシリコン膜を、作製するために、枚葉式ＣＶＤプロセスが用いられる。シリコンウエハにシリコン層を作製する枚葉式ＣＶＤプロセスは、低温高圧シリコン堆積方法という名称であり、本譲受人に譲渡され、１９９１年８月９日に出願された米国特許７／７４２９５４号明細書に説明されている。このようなプロセスでは、反応チャンバ内で１０〜３５０トールの圧力がかかり、それが維持される。約１０リットル／分の水素ガスが、５２５ｓｃｃｍ以下のシラン（ＳｉＨ4）（シラン分圧は４トール以下）共にチャンバに供給され、一方基板は約６００〜７５０℃の温度に加熱される。ドーピングされていないポリシリコン膜は、これらの条件下で、約２０００オングストローム／分までの速度で堆積される。枚葉式の方法で用いられるより高い圧力がポリシリコン膜の堆積速度を増加する。３００ｓｃｃｍの、水素中の１％ホスフィン（ＰＨ3）（ＰＨ3分圧約０．０２３トール）をガス混合物に含め、約６５０℃の温度に基板を加熱することにより、その場でリンがドープされたポリシリコン膜が堆積されることができる。このようなプロセスで、約１．５×１０21／ｃｍ3のリンを含む多結晶シリコン膜は、約１５００オングストローム／分までの速度で堆積されることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した枚葉式ＣＶＤプロセスの問題は、ステップカバレージが劣等であり、よって空隙の形成を引き起こすことなく高アスペクト比の開口部を充填するのに用いられることができないということである。空隙は、作製された集積回路の信頼性の問題及び不良を引き起こす。更に、その場でドープされた低抵抗率のシリコン膜を形成するために不純物がガス混合物に含まれると、ステップカバレージは更に悪化する。
【０００６】
このように、要望されるのは、高アスペクト比の開口部が製造可能な時間内で、空隙なしで充填されるように、枚葉式ＣＶＤ装置内でその場でドープされたシリコン膜を高堆積速度及び良好なステップカバレージで堆積する方法である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高堆積速度で、高品質で、均一で、基板の表面にわたって良好なステップカバレージを有するアモルファスシリコン及びポリシリコンを堆積するための方法及び装置を説明する。本発明によると、基板は枚葉式化学気相堆積反応チャンバ内に置かれる。次に、反応チャンバは、２０〜３００トールに減圧するように真空引きされる。その次に、基板は５５０〜６２０℃の温度に加熱される。そして、シリコン含有ガスが、４〜４０トールのシリコン含有ガス分圧になるように反応チャンバに流入される。不純物ガスは、その場でドープされたシリコン膜を提供するために、０〜０．０２０トールの不純物ガス分圧になるようにガス混合物に含まれることができる。もし、要望があれば、引き続くアニールを、アモルファスシリコンを多結晶シリコンに変化するために用いることができる。本発明のプロセスは、均一な厚さ及び不純物プロフィールを有するアモルファスシリコン及びポリシリコン膜を形成するのに用いることができる。本発明のプロセスは、高アスペクト比の開口部において改善されたステップカバレージを有するアモルファスシリコン及びポリシリコンを形成し、またプロセスを最適化するのに用いることができる。本発明のプロセスは、高アスペクト比の開口部をアモルファス又はポリシリコン（≧２．０）で、内部に空隙を作り出すことなく充填するのに用いることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、高堆積速度で、改善されたステップカバレージを有する、その場でドープされたアモルファスシリコン又はポリシリコン薄膜を堆積する方法及び装置を説明する。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、具体的な厚さ等の多くの具体的な細部が明らかにされる。しかしながら、本発明はこれらの具体的な細部でなくとも実行されることができることは当業者にとって明らかであろう。本発明を不必要にあいまいにしないように、他の例として周知の化学気相堆積（ＣＶＤ）装置及びプロセスは、特に詳細には説明されてない。
【０００９】
本発明は高堆積速度で、高品質で、均一な、基板の表面にわたって良好なステップカバレージを有するアモルファスシリコン及び多結晶シリコン（ポリシリコン）を堆積するための方法及び装置を説明する。本発明は、高い全圧、高いシリコンガス分圧、及び低い温度を利用し、良好なステップカバレージを達成する。本発明によると、基板は枚葉式化学気相堆積反応チャンバ内に置かれる。次に反応チャンバは真空引きされ、２０〜３００トールに減圧される。その次に基板は５５０〜６２０℃に加熱される。そして、シリコン含有ガスが、約５００〜１５００ｓｃｃｍの速さで反応チャンバに供給され、４〜４０トールのシリコン含有ガス分圧となる。不純物ガスは、０〜２．０ｓｃｃｍの速さで反応チャンバに供給されることができ、０〜０．００２０トールの不純物ガス分圧を作り出す。要望があれば、アニールステップを、アモルファスシリコンを多結晶シリコンに変化するのに用いることができる。本発明のプロセスは、均一な厚さ及びドーピングプロフィール、又は滑らかな上面を有するアモルファスシリコン及びポリシリコン薄膜を堆積するのに用いられる。本発明のプロセスは、高アスペクト比の開口部（≧２．０）を、空隙を作り出すことなく高堆積速度（約１０００オングストローム／分）で充填するのに用いることができる。
【００１０】
本発明に従い、基板１００が提供される。基板１００は、好ましくは単結晶シリコンウエハである。しかしながら、基板１００は、シリコンウエハである必要はなく、ガリウム比素又は石英などの、他のタイプの基板であってもよい。基板１００は、一般に、間隔をおかれて配置された複数の特徴部分すなわちホール１０２を含む。特徴部分１０２は、基板に形成されたトレンチ、基板に成長したフィールド酸化領域(field oxide refgions)、及び中間層誘電体（an interlayer dielectric,ＩＬＤ）に形成されたコンタクト及びビア開口部に起因するものであることができるが、これに限定されるものではない。本発明のプロセスは、現代の高密度ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭＳ）の製造におけるトレンチ及び／又はスタックドコンデンサ(stacked capacitoers)の形成の際の、高アスペクト比の開口部内のシリコン膜の堆積に理想的に適している。本発明は、集積回路の製造での使用に理想的に適しているが、同様に、これに限定されるものではないが、フラットパネルディスプレイなどの他の製品の製造に適用できる。本発明の目的のため、基板１００が本発明のシリコン膜が堆積される材料として画成される。
【００１１】
本発明の方法を、図２のフローチャートを考慮して、述べ且つ記載する。ブロック２００に示されているように本発明の第１ステップによると、図３に示されているように、例えば基板１００等の基板が枚葉式リアクタ３００に置かれる。図３に示されている枚葉式リアクタ３００は、頂部３１２、側壁３１４及び底部３１８を有し、内部に一枚のウエハ又は基板１００がロードされることができるチャンバ３１９が画成されている。チャンバ３１９は、アプライドマテリアルズ製センチュラ枚葉式チャンバツールで用いられているように、２００ｍｍまでのウエハを取り扱うように設計され、約１０リットルの堆積を有している。要望があれば、３００ｍｍ等のより大きなウエハを取り扱うための、より大きな堆積チャンバを用いることができることは、認められるべきである。加えて、本明細書で提供されるすべての流量は１０リットルチャンバに関してのものであり、取り扱いが困難な大容量リアクタに対しては流量を調整する必要があることを当業者は認識するであろう。重要なことは、本明細書で提供されるガスの分圧を利用することである。
【００１２】
基板１００は、モータ（図示されていない）で回転されるペデスタル又はサセプタ３２２に載置され、円筒状に対称な基板１００に対して時間的に平均な環境が提供される。サセプタ外接予加熱リング(A susceptor circumscribing preheat ring)３２４は、側壁３１４によって支持されており、サセプタ３２２及び基板１００を包囲している。リフトフィンガ３２３は、サセプタ３２２を貫通して形成されている穴（図示されていない）を貫通して、基板１００の下側と係合し、その基板１００をサセプタ３２２から持上げる。基板１００及び予加熱リング３２４は、リアクタ３１０の外側に装着されている複数の高輝度ランプ３２６からの光によって加熱される。高輝度ランプ３２６は、好ましくは約１．１ミクロンの波長の赤外線（ＩＲ）を発生するタングステンハロゲンランプである。リアクタの頂部３１２及び底部３１８は光に対してほぼ透明であり、外部ランプ３２６からの光が、リアクタ３１０、加熱サセプタ３２２及び基板１００に入ることができるようになっている。石英が頂部３１２及び底部３１８に使用されているが、その理由は、可視光及び赤外線を透過するからであり、内外の高い圧力差を支えることができる比較的強度の高い材質であるからであり、気体放出率が低いからである。パイロメータ等の、適切な頂部温度センサ及び適切な底部温度センサが、基板１００の温度及びサセプタ３２２の温度を測定するようにそれぞれ配置されている。
【００１３】
次に、図２のブロック２０２によると、チャンバ３１９は、排気ポート３３２を通して、ポンプ（図示されていない）によって、チャンバ３１９の圧力を大気圧から堆積圧力へと下げるために真空引きされる。堆積圧力とは、本発明のシリコン膜が堆積されるときのチャンバ３１９内部の全圧である。本発明は、改善されたステップカバレージを有する堆積速度を増加するために、比較的高い堆積圧力を用いている。本発明の堆積圧力は、好ましい１５０〜２００トールの圧力を含む２０〜３００トールである。堆積圧力を高くすると、堆積速度は速くなる。堆積圧力の増加は、一定の成長速度での、プロセスのステップカバレージを増加する。
【００１４】
次に、ブロック２０４に示されているように、基板１００、予加熱リング３２４及びサセプタ３２２がランプ３２６によって、好ましい約５９０〜６００℃を含む、５５０〜６２０℃の堆積温度に加熱される。堆積温度が減少すると、堆積速度も減少し、ステップカバレージは改善する。堆積されたシリコンについての厳密な結晶学的な性質は温度に依存する。本発明で使用される比較的低い堆積温度はアモルファスシリコンのみ堆積するが、高い堆積温度（６１０℃以上）ではいくらかのポリシリコンを膜に混入することができる。
【００１５】
次に、図２のブロック２０６に示されているように、反応性ガスが反応チャンバ３１９に供給される。堆積圧力及び温度は、反応性ガスが反応チャンバ３１９に流入する間特定の範囲に維持され、シリコン膜が堆積されようになっている。堆積中、反応性ガス流はガス流入ポート３２８から流れ込み、予加熱リング３２４を横切り、ガスは加熱され、シリコン膜を堆積するように基板１００の表面を矢印３３０の方向に横切り、排出ポート３３２を通して外に出る。ガス流入ポート３２８は、導管３３４を介して、タンク３３６によって表されている１種のガス又は混合ガスを提供するガス供給源に接続されている。導管３３４、それぞれのポート３３８及び３３２を通るガス濃度及び／又はガス流量は、プロセスの均一性を最適化するプロセスガス流及び濃度プロフィールを生ずるように選択される。基板の回転及びランプ３２６からの熱によって引き起こされる熱勾配は、リアクタ３００内のガスの流れに顕著に影響するが、流れのプロフィールの支配的な形態は、ガス流入ポート３２８から入り、予加熱リング３２４及び基板３２０を横切り、排出ポート３３２から出る層流である。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によると、反応性ガスは、シリコン含有ガス、希釈不純物ガス及びキャリアガスを含んでいる。本発明によると、シリコン含有ガスは、チャンバ３１９に流入され、好ましい１０〜２０トールの分圧を含む、４トール以上４０トール以下の比較的高いシリコン含有ガス分圧を生じる。シリコン含有ガスは、好ましい約９００ｓｃｃｍを含む５００〜１５００ｓｃｃｍといった比較的高い流量が用いられる。高いシリコン含有ガス分圧は、膜の堆積速度を増加する。しかしながら、シリコン含有ガスの分圧があまりに高すぎると、チャンバ側壁に粒子及びシリコン堆積の原因となる。シリコン含有ガスは、好ましくはシラン（ＳｉＨ4）であるが、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、ジクロロシラン（ＳｉＣｌ2Ｈ2）、トリクロロシラン（ＳｉＣｌ3Ｈ）及びテトラクロロシラン（ＳｉＣｌ4）等の他のシリコン含有ガスでもよい。しかしこれに限定されるものではない。
【００１７】
本発明によると、不純物ガスは、好ましくは、その場でドープされたシリコン膜を生産するために、反応性ガス混合物に含まれる。不純物ガスは、好ましい０．０１５トールを含む０〜０．０２トールの不純物ガス分圧を生じるように反応チャンバ３１９に供給される。（堆積されたシリコン膜の抵抗率が、不純物ガス／シリコンガス濃度比に逆比例することは、認識されるべきである。不純物ガス／シリコンガス濃度比が高くなると、膜の抵抗率は下がる。）比較的低い不純物ガス分圧（０．０２トール以下）が本発明に使用されるが、その理由は、本発明で用いられる比較的低いプロセス温度及び高い堆積圧力が、シリコン膜の不純物の取り込みを増加するからである。上述したように、不純物ガスの添加は、膜のステップカバレージを減少する。本発明で、堆積温度を比較的低い温度で維持することにより、低い抵抗率の膜を生産するために必要な不純物ガスの量を、より高い温度で同様の抵抗率の膜を生産するために必要な量より少なくする。このように、ドープされたシリコン膜のステップカバレージは改善される。本発明は、好ましい１．０ｓｃｃｍを含む０．１０〜２．０ｓｃｃｍの不純物ガス流量を使用するのが好ましい。不純物ガスは、好ましくは水素等のキャリアガスで、１％の希釈不純物ガス（すなわち希釈された不純物ガス＝１％の不純物ガス及び９９％のキャリアガス）を形成するように希釈される。希釈不純物ガスは、１０〜２００ｓｃｃｍの速度で、また好ましくは１００ｓｃｃｍで反応チャンバ３１９に供給される。フォスフィン（ＰＨ3）が好ましい不純物ガスであるが、要望があれば、アルシン（ＡｓＨ3）等の他の不純物ガスを使用することもできるが、これに限定されるものではない。
【００１８】
シリコン含有ガス及び希釈された不純物ガスは、水素、ヘリウム、アルゴン及び窒素等、しかしこれに限定されるものではないキャリアガスと共に反応チャンバ３１９に流入される。シリコン含有ガス及び希釈された不純物ガスは、反応チャンバ３１９に４〜１２ｓｌｍ(standares litter per minute)の速さで、また好ましくは８ｓｌｍの速さで流入するキャリアガスに加えられる。
【００１９】
反応性ガスは、望ましい厚さの（Ｔ）のシリコン膜１０４が基板１００上に堆積されるまで反応チャンバ３１９に流入される。次にブロック２０８に示されるように、要望があれば、基板１００はアニールされることができる。基板１００は、堆積されたアモルファスシリコン又はアモルファス／ポリシリコン膜を低抵抗多結晶シリコンに変化させるためにアニールされることができる。このように、アモルファスシリコン膜は、膜のステップカバレージを改善し、完全なホールの充填を確保するするように、比較的低温で堆積されることができ、そして引き続きアニールによって低抵抗多結晶シリコン膜に変化させられる。どのような周知の方法及び装置も基板１００をアニールするのに使用することができる。例えば基板１００は、炉内で、約８５０℃、３０分間、窒素雰囲気でアニールされることができる。基板１００のアニールは追加のステップを要求するが、ＤＲＡＭプロセス等の多くの集積回路製造プロセスは、シリサイドの形成等の他の目的で引き続くアニールを要求しているので、スループットに影響することなくアニールステップは含まれることができる。本発明のアニールステップを用いることは、低抵抗多結晶膜が、空隙の形成なしで高アスペクト比の開口部に形成されることを可能にする。
【００２０】
本発明のプロセスは、高品質のポリシリコン又はアモルファスシリコン膜を高不純物密度（＞２×１０20／ｃｍ3）で、そしてそれゆえ低抵抗（０．７〜１．０ミリオームｃｍ）、高堆積速度（５００〜１２００オングストローム／ｍｉｎ）、及び優れたステップカバレージ（８０〜９５％）で形成することができる。本発明は、幅≧０．２８ミクロン及びアスペクト比≧２．０である、基板１００の開口部を、空隙の形成なしで高堆積速度で充填するのに確実に使用されることができる。
【００２１】
本発明の他の新規な特徴は、ステップカバレージ及び特有のパラメータＸの間の新規な実験による関係である。ここでＸは以下のように定義される。
【００２２】
【数１】
0004023865.tif 000002
（シリコンガス）ｐｐ＝シリコン含有ガス分圧、
（不純物ガス）ｐｐ＝不純物ガス分圧、
δ＝０．７〜０．８５、及び
Ｒｄ＝堆積速度。
【００２３】
Ｘが大きくなると、堆積プロセスのステップカバレージがより良好になる。任意の堆積プロセスにおいて、ステップカバレージは、シリコンガス分圧を増加すること、不純物ガス分圧を減少すること、堆積速度を減少すること又はこれらの組合わせによって改善されることができる。堆積速度（Ｒｄ）はそれ自身、温度、圧力及びシリコン及び不純物ガスの分圧といった堆積条件に依存するが、それは制御され測定される値である。加えて、ＣＶＤプロセスに起因し、膜の不純物濃度は、指数定数(power constant)δを有する不純物ガス濃度の指数の法則(power law)である。（指数定数δは典型的に０．７〜０．８５で、本発明の条件は０．７５である。指数定数δは、例えばＳＩＭＳ法を使用して、膜内の不純物ガス濃度に対するシリコンを、反応性ガス混合物内の不純物ガス濃度に対する種々のシリコンに対して測定することにより決定されることができる。膜中の不純物濃度に対するシリコン対、ガス混合物の不純物濃度に対するシリコンのプロットが生成されて、結果として生じるプロットの傾き又は比が、指数定数δとなることができる。）ステップカバレージ及び単一(single)パラメータＸの新規な関係は、すべての堆積パラメータを含み、特定のプロセスに対する堆積条件を最適化するのに、使用されることができる。つまり、堆積されたシリコン膜の堆積速度、膜抵抗、及びステップカバレージは、前述で定義された単一パラメータにより、集積回路製造の特定の要件を満たすように膜堆積プロセスを最適化するために適合されることができる。
【００２４】
本発明による、本発明の単一パラメータＸを用いた、特定の製造要件に対する堆積条件の最適化する本発明の方法は、図４のフローチャート４００で明らかにされる。第１のステップは、ブロック４０２で明らかにされるように、特定の基板パターン又は微細構造に対する単一パラメータＸ及びステップカバレージの関係を決定するためのものである。これは、例えば、図５（ａ）に示される基板５００等の基板全面にわたって、一組の第１条件（すなわち、シリコンガス分圧及び不純物ガス分圧）の下で膜５１０を堆積することにより達成されることができる。堆積速度及びステップカバレージは、直接の測定により容易に決定されることができる。ステップカバレージは以下のように定義されるものであることが想起されるが、
【数２】
0004023865.tif 000003
ＴS＝ステップ表面（すなわち、側壁５０４）上の膜厚、及び
ＴF＝平坦な表面（すなわち、表面５０８）上の公称膜厚。
【００２５】
Ｘの値は、上で定義された数式を用いて、計算される（すなわち、Ｘは不純物ガス分圧、シリコンガス分圧、及び堆積速度を用いて解かれる）。値Ｘに対するステップカバレージは、ステップカバレージ対Ｘのグラフ上の点として記録される。このプロセスは、同様のパターンを有する基板上で、Ｘの異なる値（すなわち、異なるプロセス条件）に対するさらなるステップカバレージの値をさらに得るために何度も繰り返される。十分な数（少なくとも３の）の、ステップカバレージ／Ｘの点が得られると、ステップカバレージ及び単一パラメータＸの間の関係を明確にするプロット６０２が、特定の基板パターンに対して描かれることができる。
【００２６】
それぞれの異なった基板パターンの場合には、ステップカバレージ対Ｘの異なったプロットが描かれるべきであることが認識される。これは、任意の一組のプロセス条件に対して、ステップカバレージが、具体的な基板パターン及び微細構造に非常に依存していることによる。例えば、図５（ａ）に示される基板５００は先細の側壁５０２を有する開口部５０２を備えている。つまり、それぞれの開口部５０２は、開口部５０２の底部５０６から約９４゜（α）の角度の側壁５０４を有している。側壁５０４を僅かに傾けることは、任意のプロセスに対して、９０゜の角度を有する開口部と比較して膜のステップカバレージを改善する。図５（ｂ）に示され、基板５２０等の基板のパターンは、底部及び頂部より中間部分が広い開口部５２２を有し、たとえどのようなプロセス条件が使用されても、良好なステップカバレージを得ることが非常に困難である。このように、これらの基板上に形成されたシリコン膜５２４は、特定の値のＸに対して、充填しやすいパターンを有する基板、例えば基板５００等より、より低いステップカバレージを示す。特定のプロセス条件（すなわち、Ｘの値）の設定に対するステップカバレージは、基板パターン又は微細構造によって変化するので、それぞれの異なった基板パターンに対して異なったプロットを描くことが必要である。
【００２７】
次に、ブロック４０４に明らかにされているように、プロセスエンジニアは、基板５００上の開口部５０２を十分に充填するために、どのステップカバレージが要求されるかを決定する。一旦、ステップカバレージが特定されると、ブロック４０６に明らかにされているように、図６（ａ）に示されているプロットが特定のステップカバレージを得るＸの値を決定するのに用いられる。
【００２８】
次に、ブロック４０６で明らかにされているように、プロセスに対する堆積速度が特定される。堆積速度（Ｒｄ）は、基本的に、プロセスを最もコスト効率良くするスループット（処理されるウエハの数／時間）によって規定される。加えて、このとき、不純物ガス分圧が特定される。不純物ガス分圧は、望ましいシリコン膜の抵抗率によって規定される。一旦、堆積速度、不純物ガス分圧、及びＸの値が特定されると、シリコン含有ガス分圧は、ブロック４０８で明らかにされているように、出願人の新規な式（Ｘ）を使用することにより解かれる。ガスの分圧は流量に関係しているので、もし要望があれば、ガス流量をガス分圧の代わりに用いることができることは留意すべきである。すなわち、分圧は、
【数３】
0004023865.tif 000004
ガスＡ流量＝ガスＡの流量、
総流量＝反応チャンバに流入する全てのガスの流れの総和、及び
ＰT＝反応チャンバ内の総圧力、
で表される。
【００２９】
次に、ブロック４１０に明らかにされているように、プロセスの堆積温度が決定される。堆積温度は、図６（ｂ）に示すように、始めに堆積速度対堆積温度のプロット６１０を描くことにより決定されることができる。プロット６１０は、ブロック４０６及び４０８で明らかにされた条件を特定にし、異なる温度で形成される異なる膜の成長速度を測定することにより描かれる。少なくとも３の異なる温度／成長速度の点が図６（ｂ）に示されているグラフを描くのに用いられるべきである。次に、ブロック４１２に明らかにされているように、図６（ｂ）の堆積速度対堆積温度のグラフが、ブロック４０８に特定されている堆積速度を得るのに必要な温度を決定するのに用いられる。図６（ｂ）のグラフから決定される堆積温度が、５５０〜６２０℃といった特定の温度範囲内であるとき、ブロック４１０に明らかにされるように、温度は許容され、プロセス条件は、ブロック４０６、４０８、及び４１０で決定されるように設定される。しかしながら、望ましい堆積速度を得るために要求される温度が、許容される温度外の場合は、ブロック４０６で特定される条件は、再評価されなけれはならない。つまり、要求される堆積速度又はドーピング密度は、可能なプロセスを得るために緩められなければならない。従って、本発明の単一パラメータＸは、堆積条件を最適化するのに用いられるのみでなく、プロセスが可能でさえあるかどうかを決定するのにも用いられることができる。
【００３０】
本発明の、単一パラメータＸ及び最適化プロセスは、プロセスの製造可能性(manufacturability)を最大にするシリコン堆積プロセスのための堆積条件設定するのに用いられることができる。例えば、シリコン膜が幅（Ｗ）≦０．５ミクロン、深さ１．２ミクロンそして垂直（９０゜）側壁を有する、高アスペクト比（≧２：１）の開口部１０２を備える基板１００のように、開口部を充填するのが困難な基板上に堆積されるとき、ステップカバレージ及び単一パラメータＸの関係は、堆積された膜のステップカバレージ（＞９５％）を最大にして、完全なホールの充填を確実するために、堆積速度及び／又はドーピング密度が減少されるべきであることを示す。すなわち、開口部を充填することが困難ななる、ステップカバレージを増加するために、Ｘの値を増加するように堆積条件が選択されるべきである。温度約５９０℃、堆積圧力約２００トール、シラン分圧約１６．５トール（シラン流量９００ｓｃｃｍ）、ホスフィン分圧約０．００３７トール（２０ｓｃｃｍの流量のホスフィンで希釈された１％の水素）、及び全水素流量１０ｓｌｍで堆積されたシリコン膜は、中程度にドープされた（約５．６×１０19／ｃｍ3）シリコン膜を堆積速度約５００オングストローム／分、ステップカバレージ＞９５％で生産するのに用いられることができ、基板１００の開口部１０２を完全に充填することができる。
【００３１】
シリコン膜が、幅０．３２ミクロン、深さ０．８ミクロン、及び９４゜の傾きの側壁５０４を有する開口部５０２を備えた基板５００のように開口部すなわち特徴部分の充填の容易な基板上に堆積される場合、ステップカバレージ及び単一パラメータＸの関係は、ステップカバレージの要求が低減されるので膜の堆積速度及び／又はドーピング密度は増加されることができることを示す。すなわち、基板を充填するのが容易であるとき、より低いＸの値を提供する堆積条件が用いられることができ、それは、ステップカバレージの要求が低減されるからである。シリコン膜５１０は、高堆積速度（約１１００オングストローム／分）及び高いドーピング密度（＞２．０×１０20／ｃｍ3）で、基板５００に堆積されることができ、堆積条件：シラン分圧約１３トール（シラン流量９００ｓｃｃｍ）、ホスフィン分圧約０．０１５トール（１００ｓｃｃｍの流量のホスフィンで希釈された１％の水素）、堆積温度約６２０℃、及び堆積圧力約１６０トール：を使用することにより開口部５０２を完全に充填する。
【００３２】
加えて、ステップカバレージ及び単一パラメータＸの関係は、２層又は多層のシリコン膜が、高アスペクト比（≧２．０）の開口部に、シリコン堆積プロセスのスループットを改善するために堆積されるプロセスを設計するのに用いられることができる。例えば、特定のＩＣ製造プロセスは８０００オングストロームの厚さ（Ｔ）のシリコン膜１１０を要求し、０．２５ミクロンの幅（Ｗ）、７５００オングストロームの深さ（Ｄ）（アスペクト比約３．０）の開口部１０２の完全な充填を要求する。このようなプロセスでは、図１（ｃ）に示されているように、中程度にドープされたアモルファスシリコン（低温シリコン）層１１２の第１層は、膜のステップカバレージを最大にするために、約１５００オングストロームの厚さに堆積されることができる。すなわち、第１の堆積ステップでは、高いシリコン含有ガス分圧（４〜４０トール）が用いられ、ステップカバレージ及び単一パラメータＸの関係によって特定されるように、ステップカバレージを最大にし、完全なホールの充填を確実にするために膜の堆積速度及びドーピングレベルは低減される。（開口部を充填するのにわずか約１２５０オングストロームのシリコン膜が要求されるが、それは、ホールは側壁から充填するからであり、すなわち、幅Ｗを有する開口部を充填するのにＷ／２の膜厚が要求されるからである。）一旦ホールが十分に充填され及び／又はステップカバレージの要求が緩められると、シリコン膜１１４（残っている６５００オングストローム）の大部分が、高いドーピングの高堆積速度でポリシリコン層１１４を形成するために、上述の式によって特定されるプロセスで堆積される。このように、混成膜１１０のそれぞれの層１１２及び１１４のドーピング特性、ステップカバレージ、及び堆積速度が、単一パラメータＸによって、全プロセスを最適化するための特有の目的に適合するために最適化される。このように、新規なパラメータＸは、すべての製造要件下でウエハスループットを最大にし、ホール充填を確保するように用いられることができる。
【００３３】
本発明の枚葉式リアクタは、好ましくはマイクロプロセッサ等のプロセッサによって読み取り可能で実行可能な、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ等の非揮発性メモリに記憶されているソフトウエアを含む。ソフトウエアは、望ましい堆積条件を作り出すように、リアクタのポンプ、ランプ、数値、及び質量流量計等の種々のデバイスを制御するのに用いられる。ソフトウエアは、好ましくは、ステップカバレージ及び単一パラメータＸの間の関係を用いるアルゴリズム又はサブルーチンを含み、オペレータが特定の製造要件を満たすようにシリコン堆積プロセスを最適化し及び履行するのを援助する。ソフトウエアは、製造要件を満たすために、必要な理想気体分圧（又は流量）及びドーパントプロフィールを決定するのに用いられることができる。ソフトウエア及びプロセッサは、最適なシリコン堆積プロセスを実行するために、ガス流量及び温度及び圧力等の他のプロセスパラメータを制御するのに用いられることができる。
【００３４】
本発明は、枚葉式リアクタ内で、改善されたステップカバレージを有し、高堆積速度でシリコン膜を形成する新規なプロセスを説明した。本発明は、また、特定の製造要件の堆積プロセスを最適化するための最適プロセス条件を決定する方法及び単一パラメータ説明した。本発明は、特定の実施形態に関して説明されたが、これらの実施形態は、限定するよりも例として解釈されるもので、本発明の範囲は、上記特許請求の範囲によって決定される。
【００３５】
このように、高堆積速度で、改善されたステップカバレージを有する均一、低抵抗率のシリコン膜を形成する新規な方法及び装置が説明された。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高アスペクト比の開口部において改善されたステップカバレージを有するアモルファスシリコン及びポリシリコンを形成し、またプロセスを最適化することができる。更に、本発明によれば、高アスペクト比の開口部をアモルファス又はポリシリコン（≧２．０）で、内部に空隙を作り出すことなく充填することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は高アスペクト比の開口部を有する基板の断面図であり、図１（ｂ）は（ａ）の基板上のシリコン層の構造を示した断面図であり、図１（ｃ）は（ａ）の基板上の２層のシリコン層の構造を示した断面図である。
【図２】本発明のシリコン堆積プロセスを図示したフローチャートである。
【図３】枚葉式化学気相堆積チャンバの図である。
【図４】特定の製造条件に対して最適化したシリコン堆積プロセスの方法を図示したフローチャートである。
【図５】図５（ａ）は先細の側壁を備えた高アスペクト比の開口部を有する基板の断面図であり、図５（ｂ）は広い中央部を備えた高アスペクト比の開口部を有する基板の断面図である。
【図６】図６（ａ）はステップカバレージと２つの異なった基板パターンのシングルパラメータの関係を示したグラフであり、図６（ｂ）はある堆積プロセスでの堆積速度及び堆積温度の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１００…基板、１０２…開口部、１０４…シリコン膜、３１４…側壁、３２３…リフトフィンガ、３１９…チャンバ、３２４…予加熱リング、３２６…ランプ、５００…基板、５０２…開口部、５０４…側壁、５１０…シリコン膜、５２０…基板、５２２…開口部、５２４…シリコン膜。
【図１】
0004023865.tif 000008
【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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