(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＣＶＤ法により形成されたシリコン膜であって、
実質的に柱状結晶から成る柱状部と、
前記柱状部と前記基板との間に形成されており、実質的に粒状結晶から成る粒状部と、
を備え、
前記柱状部における屈折率が４．０未満であり、前記粒状部における屈折率が４．０〜４．２５であるシリコン膜。
【請求項２】
基板上に水素ガスを含むキャリアガスとシラン系ガスから成る反応ガスとを供給し、該基板上にＣＶＤ法によりシリコン膜を形成する成膜工程を備える方法であって、
前記成膜工程が、
実質的に粒状結晶から成る粒状部を形成せしめる第１ステップと、
前記粒状部上に実質的に柱状結晶から成る柱状部を形成せしめる第２ステップと、
を有し、
前記第２ステップにおける前記キャリアガス中の水素ガスの混合比を、前記第１ステップにおける前記キャリアガス中の水素ガスの混合比よりも小さくする、ことを特徴とするシリコン膜形成方法。
【請求項３】
基板上に水素ガスを含むキャリアガスとシラン系ガスから成る反応ガスとを供給し、該基板上にＣＶＤ法によりシリコン膜を形成する成膜工程を備える方法であって、
前記成膜工程が、
実質的に粒状結晶から成る粒状部を形成せしめる第１ステップと、
前記粒状部上に実質的に柱状結晶から成る柱状部を形成せしめる第２ステップと、
を有し、
前記第２ステップにおける水素ガス流量を、前記第１ステップにおける前記水素ガス流量よりも小さくする、ことを特徴とするシリコン膜形成方法。
【請求項４】
基板上に水素ガスを含むキャリアガスとシラン系ガスから成る反応ガスとを供給し、該基板上にＣＶＤ法によりシリコン膜を形成する成膜工程を備える方法であって、
前記成膜工程が、
実質的に粒状結晶から成る粒状部を形成せしめる第１ステップと、
前記粒状部上に実質的に柱状結晶から成る柱状部を形成せしめる第２ステップと、
を有し、
前記第２ステップにおける前記基板の周囲の圧力を、前記第１ステップにおける前記基板の周囲の圧力よりも低くする、
ことを特徴とするシリコン膜形成方法。
【請求項５】
基板上に水素ガスを含むキャリアガスとシラン系ガスから成る反応ガスとを供給し、該基板上にＣＶＤ法によりシリコン膜を形成する成膜工程を備える方法であって、
前記成膜工程が、
実質的に粒状結晶から成る粒状部を形成せしめる第１ステップと、
前記粒状部上に実質的に柱状結晶から成る柱状部を形成せしめる第２ステップと、
を有し、
前記第２ステップにおける前記柱状部の成膜速度を、前記第１ステップにおける前記粒状部の成膜速度よりも大きくする、
ことを特徴とするシリコン膜形成方法。
【請求項６】
基板上に水素ガスを含むキャリアガスとシラン系ガスから成る反応ガスとを供給し、該基板上にＣＶＤ法によりシリコン膜を形成する成膜工程を備える方法であって、
前記成膜工程が、
実質的に粒状結晶から成る粒状部を形成せしめる第１ステップと、
前記粒状部上に実質的に柱状結晶から成る柱状部を形成せしめる第２ステップと、
を有し、
前記第１ステップにおける成膜条件が下記式（１）及び下記式（２）；
【数１】
0003809106.tif 000007
Ｔ：前記成膜温度（℃）、
Ｍ：前記キャリアガス中の水素ガスの混合比（％）、
で表される関係を満たすものであり、
前記第２ステップにおける成膜条件が下記式（３）；
【数２】
0003809106.tif 000008
で表される関係を満たすものである、
ことを特徴とするシリコン膜形成方法。
【請求項７】
基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載のシリコン膜形成方法を用いてゲート電極となるシリコン膜を前記絶縁膜上に形成せしめるシリコン膜形成工程と、
を備えるゲート電極形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン膜及びそのシリコン膜の形成方法、そのシリコン膜から成るゲート電極及びそのゲート電極の形成方法、並びにそのゲート電極を備える電界効果トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＯＳデバイスのゲート電極には、一般にポリシリコンが用いられることが多い。このＭＯＳゲート電極を構成するポリシリコンとしては、モノシランやジシランを成膜ガスとしたＣＶＤ法によって形成されるシリコンやアモルファスシリコンが使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体デバイスの微細化・薄層化に伴い、ゲート電極層の膜厚は極めて薄くなり、ＣＭＯＳのソースドレイン領域へのイオン注入において、ドーパントであるホウ素イオンがゲート電極層を突き抜け、下地の絶縁膜との界面に達する現象が生じる可能性がある。こうなると、その後のアニール等の熱処理を行う際に、ホウ素イオンが、その界面近傍のグレインバウンダリーからゲート酸化膜を通して基板側へ異常拡散するおそれがあり、好ましくない。逆に、これに伴い、他の領域にイオン注入されたヒ素イオンが、アニール時に十分に拡散しないといった問題も生じ得る。さらに、ＮＭＯＳとＰＭＯＳとで基板キャリアモビリティが変化する可能性もあり、デバイスの電気特性がばらついたり或いは劣化することも懸念される。
【０００４】
このようなイオン注入におけるホウ素イオンの突き抜けを防止するには、ゲート電極を上述したポリシリコンとアモルファスシリコンとの積層体としたり、シリコン膜と薄い酸化膜とを交互に積層したりといった構造を採用することもできる。
【０００５】
しかし、結晶状態の異なるシリコン膜は各々特徴を有すると共に、ゲート電極の薄層化と工程簡略化によるスループットを考慮すれば、今後のＭＯＳデバイスのゲート電極はポリシリコン単層で構成することが望ましいと考えられる。また、各層の結晶構造の相違が内部応力を生じ、これによっても、上述の基板キャリアモビリティの変化が引き起こされるといった懸念がある。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、半導体デバイスの製造におけるイオン注入の際にホウ素イオンの突き抜けを防止できるシリコン膜、その形成方法、その膜を含む電界効果トランジスタ用ゲート電極、及びかかるゲート電極を備える電界効果トランジスタを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明におけるシリコン膜は、基板（被処理基体）上にＣＶＤ法により形成されたシリコン膜であって、実質的に柱状結晶から成る柱状部と、その柱状部と基板との間に形成されており且つ実質的に粒状結晶から成る粒状部とを備え、柱状部における屈折率が４．０未満であり、粒状部における屈折率が４．０〜４．２５であるものである。
【０００８】
通常のＣＶＤ法によって形成されるシリコン膜は、基板側から結晶成長していくので、基板に近い程、成膜環境中に置かれる時間つまりＣＶＤチャンバやバッチ炉等のリアクター内に存在する時間が長くなり、結晶性が高まる傾向にある。その結果、従来のシリコン膜は、基板側に結晶性の高い柱状結晶部が形成され、その上部に結晶性の低い粒状結晶部が生成し易い傾向にある。本発明者の知見によれば、ホウ素イオンの突き抜け度合いは、粒状結晶部に比して柱状結晶部における方が格段に大きく、柱状結晶部上に粒状結晶部が若干存在したとしても、ホウ素イオンの突き抜けを抑止する効果は殆ど得られない。特に、シリコン膜が薄くなる程その抑止効果も薄れる傾向にある。
【０００９】
これに対し、上記構成の本発明によるシリコン膜は、柱状部と基板との間に粒状部が形成されているので、柱状部を突き抜けてきたホウ素イオンが粒状部において停止し易い。これは、実質的に粒状結晶から成る粒状部においては、閉じた有限の粒界面（グレインバウンダリー）を有する複数の結晶粒がランダムに存在し、その粒界面は、言わばグレイン同士の無結合状態を含むと考えられるため、ホウ素イオンの移動・拡散に対する障壁として機能することによると想定される。
【００１０】
柱状部における屈折率が４．０未満であり、粒状部における屈折率が４．０〜４．２５である。ここで、「屈折率」とは、エリプソメータ（Ellipsometer：ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製、ＵＶ１２８０ＳＥ、使用波長２５０〜７５０ｎｍ）を用い、基板表面の９箇所に対する実測値の平均値を示す。
【００１１】
また、柱状部における平均結晶サイズが、粒状部における平均結晶サイズよりも大きいと好ましい。柱状部においては、基板面に対して例えば略鉛直方向に沿って延びる結晶界面（バウンダリー）によって柱状結晶が画成されるのに対し、より基板側に位置する粒状部では、上述の如く、粒状結晶がランダムに配置され集合している。但し、‘柱状結晶’とは言っても成膜条件等によって必ずしも全ての結晶が柱状を成すとは限られず、粒状に近い界面領域を有するものを認められることもある。このような場合においても、柱状部における平均結晶サイズが、粒状部におけるそれよりも大きくされていると、ホウ素イオンの突き抜けが有効に防止され易くなる。
【００１２】
本発明者らの研究によれば、種々のＣＶＤ成膜条件において得たシリコン膜断面のＴＥＭ観察と屈折率測定の結果より、結晶形態（柱状結晶（カラム）、粒状結晶（ランダム）、非晶質（アモルファス）、非晶質及び粒状結晶の混在（ミクスチャ））と屈折率とが相関関係を示すことが確認された。これによれば、屈折率が４．０未満のときに主として柱状結晶が有意に形成されており、屈折率が４．０〜４．２５である場合に、ホウ素イオンの突き抜けを有効に抑止する程度の粒状結晶のランダム配置が形成されることが判明した。
【００１３】
また、本発明によるシリコン膜形成方法は、本発明のシリコン膜を有効に形成するための方法であり、基板上に水素ガスを含むキャリアガスとシラン系ガスから成る反応ガスとを供給し、該基板上にＣＶＤ法によりシリコン膜を形成する成膜工程を備える方法であって、前記成膜工程が、実質的に粒状結晶から成る粒状部を形成せしめる第１ステップと、前記粒状部上に実質的に柱状結晶から成る柱状部を形成せしめる第２ステップと、有し、前記第２ステップにおける前記キャリアガス中の水素ガスの混合比を、前記第１ステップにおける前記キャリアガス中の水素ガスの混合比よりも小さくする。
本発明によるシリコン膜形成方法は、基板上に水素ガスを含むキャリアガスとシラン系ガスから成る反応ガスとを供給し、該基板上にＣＶＤ法によりシリコン膜を形成する成膜工程を備える方法であって、前記成膜工程が、実質的に粒状結晶から成る粒状部を形成せしめる第１ステップと、前記粒状部上に実質的に柱状結晶から成る柱状部を形成せしめる第２ステップと、を有し、前記第２ステップにおける水素ガス流量を、前記第１ステップにおける前記水素ガス流量よりも小さくする。
本発明によるシリコン膜形成方法は、基板上に水素ガスを含むキャリアガスとシラン系ガスから成る反応ガスとを供給し、該基板上にＣＶＤ法によりシリコン膜を形成する成膜工程を備える方法であって、前記成膜工程が、実質的に粒状結晶から成る粒状部を形成せしめる第１ステップと、前記粒状部上に実質的に柱状結晶から成る柱状部を形成せしめる第２ステップと、を有し、前記第２ステップにおける前記基板の周囲の圧力を、前記第１ステップにおける前記基板の周囲の圧力よりも低くする。
本発明によるシリコン膜形成方法は、基板上に水素ガスを含むキャリアガスとシラン系ガスから成る反応ガスとを供給し、該基板上にＣＶＤ法によりシリコン膜を形成する成膜工程を備える方法であって、前記成膜工程が、実質的に粒状結晶から成る粒状部を形成せしめる第１ステップと、前記粒状部上に実質的に柱状結晶から成る柱状部を形成せしめる第２ステップと、を有し、前記第２ステップにおける前記柱状部の成膜速度を、前記第１ステップにおける前記粒状部の成膜速度よりも大きくする。
【００１４】
具体的には、下記５通りの方法のうち少なくともいずれか一つを採用すると好ましい。すなわち；
（１）第２ステップにおけるキャリアガス中の水素ガスの混合比を、第１ステップにおけるキャリアガス中の水素ガスの混合比よりも小さくする方法、
（２）第２ステップにおける水素ガス流量を、第１ステップにおける水素ガス流量よりも少なくする方法（キャリアガスの全流量が一定であれば実質的に（１）の方法と同等である。）、
（３）第２ステップにおける成膜温度を、第１ステップにおける成膜温度よりも高くする方法、
（４）第２ステップにおける基板の周囲の圧力を、第１ステップにおける基板の周囲の圧力よりも低くする方法、
（５）第２ステップにおける柱状部の成膜速度を、第１ステップにおける粒状部の成膜速度よりも大きくする方法、
が挙げられる。
【００１５】
これらの方法を採用する際には、他の成膜条件、基板表面の状態等に影響を受ける場合もあり、或いは、圧力のようにニュークリエーションに深く関与し結晶成長初期の表面状態を左右し得る可能性もあるので、第１のステップ及び第２のステップにおける各条件値を、完全に独立に決定することは困難なことがある。なお、このように一つの成膜工程内でプロセス条件を変えた場合に、シリコン膜厚や結晶性の均一性を基板内／基板間で保つには、バッチ式処理に比して枚葉式処理が優位である。
【００１６】
本発明によるシリコン膜形成方法は、本発明のシリコン膜を有効に形成するための方法であり、基板上に水素ガスを含むキャリアガスとシラン系ガスから成る反応ガスとを供給し、その基板上にＣＶＤ法によりシリコン膜を形成する成膜工程を備える方法であって、成膜工程が、実質的に粒状結晶から成る粒状部を形成せしめる第１ステップと、粒状部上に実質的に柱状結晶から成る柱状部を形成せしめる第２ステップとを有する。条件値（プロセスパラメータ）は、要求される成膜レシピに適合する条件で予め決定することができる。より具体的には、例えば、第１ステップにおける成膜条件が下記式（１）及び下記式（２）；
【数３】
0003809106.tif 000002
で表される関係を満たすものであり、第２ステップにおける成膜条件が下記式（３）；
【数４】
0003809106.tif 000003
で表される関係を満たすものであることが望ましい。式中、Ｔは成膜温度（℃）を示し、Ｍはキャリアガス中の水素ガスの混合比（％）を示す。
本発明におけるゲート電極形成方法は、基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、本発明のシリコン膜形成方法を用いてゲート電極となるシリコン膜を絶縁膜上に形成せしめるシリコン膜形成工程とを備えることを特徴とする。すなわち、このシリコン膜形成工程は、本発明における上記の成膜工程を用いて好適なものである。
【００１７】
また、本発明におけるゲート電極は、基板上に設けられた絶縁膜上に形成されており且つ本発明のシリコン膜から成るものである。さらに、本発明におけるゲート電極形成方法は、基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、本発明のシリコン膜形成方法を用いてゲート電極となるシリコン膜を絶縁膜上に形成せしめるシリコン膜形成工程とを備えることを特徴とする。すなわち、このシリコン膜形成工程は、本発明における上記の成膜工程を用いて好適なものである。またさらに、本発明による電界効果トランジスタは、基板上に設けられた絶縁膜と、その絶縁膜上に形成された本発明のゲート電極とを備えるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、上下関係については、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。図１は、本発明によるシリコン膜の好適な一形態を模式的に示す断面図である。シリコン膜１１０は、絶縁膜から成る基層１０１を有するウェハＷ（基板，非処理基体）上に形成されており、基層１０１上に形成され且つ粒状結晶がランダム配置された粒状部１０２上に、主として柱状（カラム状）結晶から成る柱状部１０３が形成されたものである。
【００１９】
このシリコン膜１１０は、例えば、以下の条件によるＣＶＤ法によって形成することができる。表１及び２は、Applied Materials社製の２００ｍｍウェハ用トランジスタ形成装置の一つであるPOLYgenTMチャンバ（メインフレームを含めてSINgenTM Centura(R) 300）を用い、ＣＶＤ法によりシリコン膜１１０を形成する際の成膜レシピの一例を示すものである。
【００２０】
【表１】
0003809106.tif 000004
【００２１】
【表２】
0003809106.tif 000005
【００２２】
なお、表中、「プロセスタイム」とは、そのステップを実施している時間を示し、「T.F.O（Throttle fully open）」とは、チャンバに接続されたガス供給ラインに設けられたスロットルバルブを全開した状態を示し、「スペーシング」とは、チャンバ内のウェハ上方に位置するシャワーヘッドの下面とウェハ上面との距離（間隔）を示し、「BP」は、ウェハ裏面のパージ（バックサイド・パージ）であることを示す。
【００２３】
まず、ステップＳ１において、チャンバ内にウェハＷを定置し、位置決めを行う。次に、ステップＳ２において、キャリアガスのＮ2ガスのチャンバ内への供給を開始する。次いで、ステップＳ３で、チャンバ内圧力を２７５Ｔｏｒｒに保ち、キャリアガスとして更にＨ2ガスを供給しながら、ウェハＷのヒートアップ（加熱）を行う。このとき、キャリアガス（Ｎ2ガスとＨ2ガスとの混合ガス）中のＨ2ガスの混合比（体積割合）を例えば４０％とする。
【００２４】
ヒートアップ終了後、ステップＳ４において、キャリアガスに加えて反応ガス（成膜ガス）であるモノシラン（ＳｉＨ4）ガスをチャンバ内に供給し、粒状部１０２を形成せしめる（第１ステップ）。このとき、キャリアガス中のＨ2ガスの混合比を例えば約４６％とする。この状態で一定時間成膜を実施した後、ステップＳ５，Ｓ６で表中の条件に従ってチャンバ内のガスパージを行う。それから、ステップＳ７において、キャリアガスとしてＮ2ガスのみをチャンバ内に通じながら、柱状部１０３を形成するための成膜圧力に調整する。
【００２５】
次に、ステップＳ８へ移行し、キャリアガスをＮ2ガスのみに維持した状態、つまり、キャリアガス中のＨ2ガスの混合比を０％とした状態で、再び反応ガスのモノシタンガスをチャンバ内に供給し、柱状部１０３を形成せしめる（第２ステップ）。一定時間経過後ステップＳ８を終了し、ステップＳ９，Ｓ１０として表中の条件に従ってチャンバ内のガスパージを行ってから、ステップＳ１１でウェハＷをチャンバ外へ搬送する準備を行い、シリコン膜１１０の一連の成膜工程を完了する。なお、反応ガスとしては、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）ガス等のシラン系ガスを用いてもよい。
【００２６】
以上説明したシリコン膜１１０の形成方法においては、結晶形態の異なる粒状部１０２と柱状部１０３とを堆積成長させるために、上述の如くキャリアガス中のＨ2ガス割合（濃度）を制御した。かかる方法を用いたときの反応機構の詳細は未だ明らかではないものの、本発明者らは、その要因の一つを例えば以下のように推測している。
【００２７】
すなわち、シリコン膜１１０の反応ガスとしてシラン系ガスを用いた場合、シラン系ガスの吸着と分解、Ｈ2の脱離が平衡状態となっている。そして、シラン系ガスの分解及びＨ2の脱離が抑制される方向に平衡がシフトすると成膜速度が低下する。この状態でシラン系ガスの分解が進行すると、Ｈが膜中に取り込まれ、結晶が切断されてグレインバウンダリーが形成される。
【００２８】
ここで、図２は、キャリアガス中のＨ2ガス混合比及び成膜温度に対し、ウェハＷ上に形成されるシリコン膜の結晶形態を示すグラフである。このとき、チャンバとしては前出のPOLYgenTMチャンバを用い、チャンバ内圧力２７５Ｔｏｒｒで反応ガスとしてモノシランガスを使用し、得られたシリコン膜の断面をＴＥＭ観察し、結晶形態が、柱状（カラム状；Columnar）、粒状（ランダム状；Random）、及び、非晶質状又は非晶質と粒状結晶の混合体（Amorphous or Mixture）のいずれに属するかを判定した。
【００２９】
図中、曲線Ｌ１は、主として柱状結晶が生じる条件と主として粒状結晶が生じる条件との境界条件を表す目安線（下記式（４）で表される関係）を示し、直線Ｌ２は、主として粒状結晶が生じる条件と主として非晶質又は上記混合体が生じる条件との境界条件を表す目安線（下記式（５）で表される関係）を示す。式中、Ｔは成膜温度（℃）を示し、Ｍはキャリアガス中のＨ2ガスの混合比（％）を示す。
【００３０】
【数５】
0003809106.tif 000006
【００３１】
この結果より、キャリアガス中のＨ2濃度が異なると、シリコン膜の結晶形態が変化する。上述したように、キャリアガス中のＨ2濃度の増大により、成膜温度が一定でも、結果としてＳｉ−Ｓｉ結合の形成が阻害され、柱状結晶の成長が抑制されて粒状結晶のランダム配置が形成される可能性が考えられる。
【００３２】
よって、表１に示すステップＳ４を、上記式（１）及び式（２）で表される関係を満たす成膜条件、つまり、図２中、曲線Ｌ１と直線Ｌ２とで囲まれた領域で実施し、且つ、表２に示すステップＳ８を上記式（３）で表される関係を満たす成膜条件、つまり、図２中、曲線Ｌ１より上方高温の領域で実施すれば、図１に示す粒状部１０２及び柱状部１０３から成るシリコン膜１１０を形成することが可能となる。
【００３３】
また、図２から、キャリアガス中のＨ2ガスの割合及び成膜温度の少なくともいずれか一方を変化させることにより、シリコン膜１１０における粒状部１０２の形成と柱状部１０３の形成を選択的に制御し得ることが理解される。ここで、一連の成膜工程における成膜温度としては、好ましくは７００〜７４０℃であり、Ｈ2ガス混合比は０〜１００％の範囲であり、図２に示す如く、粒状部１０２を形成する第１ステップ、及び柱状部１０３を形成する第２ステップのそれぞれにおいて、成膜温度及びＨ2ガス混合比を適宜決定することができる。先に説明した実施形態のステップＳ４の条件は、成膜温度７２０℃且つキャリアガス中のＨ2ガス混合比約４６％であり、粒状結晶が選択的に得られる条件である。一方、同ステップＳ８の条件は、成膜温度を変えることなくキャリアガス中のＨ2ガス割合を０％としており、柱状結晶が選択的に得られる条件である。
【００３４】
図３は、キャリアガスとして用いるＨ2ガスの流量に対するシリコン膜の成膜速度（ＤＲ）及び屈折率（ＲＩ）の変化の一例を示すグラフである。この例では、反応ガスとしてジシランガスを１００ｓｃｃｍの流量で用い、成膜温度（ヒーター温度）を７１０℃、チャンバ内圧力を２７５Ｔｏｒｒとした。また、キャリアガスはＮ2ガスとＨ2ガスとの混合ガスであり、合計流量を１００００ｓｃｃｍとした。図３中、黒塗り四角のシンボルは屈折率のデータを示し、黒塗り菱形のシンボルは成膜速度のデータを示す。また、曲線Ｌ３は、屈折率データの目安線を示す。
【００３５】
ここで、本発明者らの知見によれば、シリコン膜の屈折率とその結晶形態が良好に相関することが判明している。具体的には、シラン系ガスを用いた場合、概ね以下の関係を有する。
(1)RI＜4.0：柱状（Columnar）
(2)4.0≦RI≦4.25：粒状（Random）
(3)4.25≦RI≦4.45：非晶質と粒状の混合体（Mixture）
(4)4.45＜RI：非晶質（Amorphous）
【００３６】
図３に示す例では、Ｈ2ガス流量を変化させることは、実質的にキャリアガス中のＨ2ガス混合比を変化させることと同等であり、曲線Ｌ３の傾向は、温度が一定であれば、Ｈ2ガス混合比が大きい程ランダム配置の粒状結晶が得られ易いという図２に示す傾向と一致することが確認された。具体的には、図３の成膜条件では、Ｈ2ガス流量が２０００ｓｃｃｍ程度を上回るとランダム配置の粒状結晶となる一方、その流量を下回ると柱状結晶が形成され易いことが確認された。また、この実験例では、成膜速度と屈折率との正の相関は認められなかった。この結果は、先述した反応機構の考察を裏付ける根拠の一つである。
【００３７】
図４は、チャンバ内圧力に対するシリコン膜の成膜速度（ＤＲ）及び屈折率（ＲＩ）の変化の一例を示すグラフである。この例では、反応ガスとしてジシランガスを１００ｓｃｃｍの流量で用い、キャリアガスとしてＮ2ガスとＨ2ガスとの混合ガス（Ｈ2ガスの混合比３０％）を９９００ｓｃｃｍの流量で用い、成膜温度（ヒーター温度）を７１０℃とした。図４中、黒塗り四角のシンボルは屈折率のデータを示し、黒塗り菱形のシンボルは成膜速度のデータを示す。また、直線Ｌ４は、屈折率データの目安線を示す。
【００３８】
図４の結果は、上述した屈折率と結晶形態との関連に基づいて述べると、チャンバ内圧力が５０Ｔｏｒｒ以上の場合にはシリコン膜の結晶形態は主としてランダム構造を成すことを示すものである。逆に言えば、図４の条件下では、チャンバ内が５０Ｔｏｒｒ程度よりも低圧になると、粒状結晶が柱状形態をとり得るようになる。なお、先に説明した実施形態のステップＳ４，Ｓ８においては、チャンバ内を２７５Ｔｏｒｒとしたが、チャンバ内圧の範囲としては、好ましくは１００〜３５０Ｔｏｒｒである。
【００３９】
ところで、このような圧力依存特性が奏される要因としては、低圧条件下（例えば１〜１０Ｔｏｒｒ程度）では、成膜初期のニュークリエーションにおける結晶の核付けの影響が比較的大きく、場合によっては、柱状結晶が成長し易い下地状態が形成され、これにより鉛直方向への結晶成長が促進されて柱状結晶の形成が助長され得ると推定される。これに対し、より高圧な条件下では、ニュークリエーション段階での核付けの影響・効果が薄れると共に、アイマー等の中間生成物の濃度が変化して律速状態が変動し、成膜速度の低下と粒状結晶の成長が助長されるといった現象が生じ得ると考えられる。但し、作用はこれらに限定されない。
【００４０】
図５は、反応ガスとしてのジシランガスの流量に対するシリコン膜の屈折率を示すグラフである。図中、白抜き四角（□）のシンボルは、成膜温度７００℃及びキャリアガス（Ｎ2ガスとＨ2ガスとの混合ガス）中のＨ2ガス混合比３０％の条件でのデータを示し、白抜き菱形（◇）のシンボルは、成膜温度７１０℃及び同Ｈ2ガス混合比３０％の条件でのデータを示し、白抜き三角（△）のシンボルは、成膜温度７１０℃及び同Ｈ2ガス混合比０％（すなわちＮ2ガスのみ）の条件でのデータを示し、クロス（×）のシンボルは、成膜温度７２０℃及び同Ｈ2ガス混合比３０％の条件でのデータを示す。なお、いずれの場合も、チャンバ内圧力を１００Ｔｏｒｒとした。
【００４１】
これらの結果より、ジシランガス流量がある程度大きくなるとシリコン膜の屈折率が略一定の値を示すこと、つまり結晶形態が略決定される傾向が認められた。また、成膜温度７１０℃のデータに注目すると、キャリアガス中のＨ2ガスの混合比により、屈折率ひいては結晶形態が有意に異なっており、図２及び３に示す傾向と一致する。また、キャリアガス中のＨ2ガス混合比が３０％のデータに注目すると、成膜温度によって屈折率ひいては結晶形態が有意に異なる傾向が確認された。
【００４２】
このように形成されたシリコン膜１１０をＣＭＯＳ等のＭＯＳＦＥＴデバイスのゲート電極として用いる場合、例えば、ノンドープ（アンドープ）状態のシリコン膜１１０にホウ素イオンをイオン注入によって注入する。この際、柱状部１０３のシリコン結晶は長軸方向に延在するので、柱状部１０３の上部から進入したホウ素イオンは、結晶の界面方向（長軸方向）に沿って下方へ速やかに移動・拡散する。柱状部１０３と粒状部１０２との境界部に到達したホウ素イオンは、それまでの進行方向と交差するように存在する粒状部１０２のグレインバウンダリーに遮断され、粒状部１０２中及びその下地の基層１０１側への移動・拡散が阻害される。
【００４３】
粒状部１０２の粒界（グレインバウンダリー）は、例えばＴＥＭ等の電子顕微鏡写真において「境界」として認識できるものである。これは、結晶構造が相違する領域、例えばアモルファス領域として認識されている可能性があるが、実際には、各グレインの周縁部においてグレイン同士のＳｉ−Ｓｉ結合が生じていないか、或いは、結合が生じていても非晶質領域が形成されていると推定される。しかし、結合の度合いや未結合手（ダングリンボンド）の存否等、微視的な構造は必ずしも明らかではない。但し、かような微視的な状態を一義的に決定し得ないとしても、粒状部１０２において粒界面がランダムに多数存在することにより、例えば結晶格子及び電場の一様性が崩れ、これによりホウ素イオンの基層１０１側への突き抜け・拡散が有効に抑止されると推定される。
【００４４】
このように、シリコン膜１１０が、従来の形成方法で得られるものと異なる結晶構造（形態）を有することにより、全体膜厚が極めて薄くなっても、ドーパントであるホウ素イオンの突き抜けが粒状部１０２で十分に阻止される。よって、ドープ工程においてホウ素イオンがシリコン膜１１０と基層１０１との界面まで到達してしまうことによる熱処理工程でのホウ素イオンの異常拡散を防止できる。したがって、シリコン膜１１０の単層を用いてゲート電極の薄層化及び工程簡略化を実現できるので、スループットを向上できる。
【００４５】
また、上述の実施形態を例にとると、（１）ステップＳ８でのキャリアガス中のＨ2ガス混合比をステップＳ４よりも小さくする（換言すれば（２）ステップＳ８におけるＨ2ガス流量をステップＳ４よりも少なくする）、（３）ステップＳ８における成膜温度をステップＳ４よりも高くする、（４）ステップＳ８におけるチャンバ内圧力をステップＳ４よりも低くする、及び、（５）ステップＳ８における成膜速度をステップＳ４よりも大きくする方法のうち少なくともいずれか一つを実施することにより、シリコン膜１１０を簡易且つ確実に形成できる。よって、プロセス制御が過度に複雑となることを抑制できる。
【００４６】
そして、このようなホウ素イオンの突き抜けを防止可能なシリコン膜１１０を用いたゲート電極及びこれを備える電界効果トランジスタによれば、ホウ素イオンがゲート酸化膜を通して基板側へ異常拡散するおそれが防止される。また、他の領域にイオン注入されたヒ素イオンをアニール時に十分に拡散させることができる。さらに、ＮＭＯＳとＰＭＯＳとで基板キャリアモビリティが変化することも十分に抑制できる。したがって、デバイスの電気特性のばらつきや劣化の発生が十分に抑えられる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によるシリコン膜及びその形成方法によれば、デバイス製造におけるイオン注入の際にホウ素イオンの突き抜けを効果的に防止できる。また、そのシリコン膜を含む電界効果トランジスタ用ゲート電極、及びそのゲート電極を備える電界効果トランジスタによれば、ホウ素イオンの突き抜けに起因するデバイス特性の劣化等を十分に抑止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるシリコン膜の好適な一形態を模式的に示す断面図である。
【図２】キャリアガス中のＨ2ガス混合比及び成膜温度に対し、ウェハＷ上に形成されるシリコン膜の結晶形態を示すグラフである。
【図３】キャリアガスとして用いるＨ2ガスの流量に対するシリコン膜の成膜速度及び屈折率の変化の一例を示すグラフである。
【図４】チャンバ内圧力に対するシリコン膜の成膜速度及び屈折率の変化の一例を示すグラフである。
【図５】反応ガスとしてのジシランガスの流量に対するシリコン膜の屈折率を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１…基層、１０２…粒状部、１０３…柱状部、１１０…シリコン膜、Ｗ…ウェハ（基板）。
【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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