JP3064363B2 - Ｓｉ薄膜の形成方法 - Google Patents
Ｓｉ薄膜の形成方法Info
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- JP3064363B2 JP3064363B2 JP2243175A JP24317590A JP3064363B2 JP 3064363 B2 JP3064363 B2 JP 3064363B2 JP 2243175 A JP2243175 A JP 2243175A JP 24317590 A JP24317590 A JP 24317590A JP 3064363 B2 JP3064363 B2 JP 3064363B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、Si薄膜の形成方法に関し、得に堆積時に不
純物をSi薄膜中に添加するインサイチュードーピング
（in situ doping）法による多結晶Si（poly−Si）ある
いは非晶質Si（ａ−Si）の堆積方法に関する。
純物をSi薄膜中に添加するインサイチュードーピング
（in situ doping）法による多結晶Si（poly−Si）ある
いは非晶質Si（ａ−Si）の堆積方法に関する。
Si薄膜（以下poly−Si,a−Siを総称してSi薄膜と記
す）は、今日の大規模集積回路の製造において、電極・
配線等に多用される材料である。例えば、MOSデバイス
のゲート電極、DRAMの容量電極等がこれに相当する。通
常は、電圧気相成長法（LPCVD法）により所望の基板上
に堆積するが、その際、一般にはリン（Ｐ）等の不純物
が添加される事は無く、所謂ノンドープSi薄膜として堆
積し、後に、イオン注入，拡散等の工程を経て所望の電
気伝導度が付与される。
す）は、今日の大規模集積回路の製造において、電極・
配線等に多用される材料である。例えば、MOSデバイス
のゲート電極、DRAMの容量電極等がこれに相当する。通
常は、電圧気相成長法（LPCVD法）により所望の基板上
に堆積するが、その際、一般にはリン（Ｐ）等の不純物
が添加される事は無く、所謂ノンドープSi薄膜として堆
積し、後に、イオン注入，拡散等の工程を経て所望の電
気伝導度が付与される。
しかし、この様な手法では工程数が増加する，熱処理
により浅接合形成に支障を生じる等の問題があるので、
Si薄膜堆積時に、反応ガス中にホスフィン（PH3）等の
ドーピングガスを常時混入し、堆積と同時にドーピング
を完了させるインサイチュードーピング（in situ dopi
ng）法が提案されている（例えば、Arthur J.Learn他、
Journal of Applied Physics 61巻、1987年、1898
頁）。堆積されたSi薄膜中の不純物濃度は、シラン（Si
H4）等のSiの原料となるガスとドーピングガスの混合比
で制御され、1020〜1021atoms/cm3の範囲で形成されて
いる。
により浅接合形成に支障を生じる等の問題があるので、
Si薄膜堆積時に、反応ガス中にホスフィン（PH3）等の
ドーピングガスを常時混入し、堆積と同時にドーピング
を完了させるインサイチュードーピング（in situ dopi
ng）法が提案されている（例えば、Arthur J.Learn他、
Journal of Applied Physics 61巻、1987年、1898
頁）。堆積されたSi薄膜中の不純物濃度は、シラン（Si
H4）等のSiの原料となるガスとドーピングガスの混合比
で制御され、1020〜1021atoms/cm3の範囲で形成されて
いる。
上述した従来のインサイチュードーピング（in situ
doping）法によるSi薄膜の堆積方法では、堆積したSi薄
膜中の不純物濃度を均一に保つには、Si薄膜中の不純物
濃度を1020atoms/cm3程度以上に高めなければならない
（第７図参照）。これは堆積膜全面に不純物を均一にド
ーピングするには、被堆積面上の不純物の吸着位置の数
に対し過剰の不純物原子を供給しなければならないこと
による。この不純物過剰供給がなければ、ドーピングガ
ス供給の上流側でドーピング量が増加し、下流側でドー
ピング量が低下して、Si薄膜中の不純物濃度分布は著し
く不均一となるからである。
doping）法によるSi薄膜の堆積方法では、堆積したSi薄
膜中の不純物濃度を均一に保つには、Si薄膜中の不純物
濃度を1020atoms/cm3程度以上に高めなければならない
（第７図参照）。これは堆積膜全面に不純物を均一にド
ーピングするには、被堆積面上の不純物の吸着位置の数
に対し過剰の不純物原子を供給しなければならないこと
による。この不純物過剰供給がなければ、ドーピングガ
ス供給の上流側でドーピング量が増加し、下流側でドー
ピング量が低下して、Si薄膜中の不純物濃度分布は著し
く不均一となるからである。
しかしながら、Si薄膜中に1020atoms/cm3以上の高濃
度の不純物が含有される場合は、堆積時もしくは後工程
の熱処理により、この不純物を極めて多量に含むSi粒子
が表面に形成されやすく、Si薄膜の表面平坦性が著しく
損われる。この様なSi薄膜上に薄いSi熱酸化膜を形成す
ると、Si酸化膜厚の不均一が生じて電界集中の生じやす
い個所が形成されたり、添加不純物のSi酸化膜への拡散
が生じ、局所的に不純物を高濃度に含有するSi酸化膜と
なり、リークを生じやすい部分が形成される等、絶縁耐
圧が著しく劣化するという問題がある。
度の不純物が含有される場合は、堆積時もしくは後工程
の熱処理により、この不純物を極めて多量に含むSi粒子
が表面に形成されやすく、Si薄膜の表面平坦性が著しく
損われる。この様なSi薄膜上に薄いSi熱酸化膜を形成す
ると、Si酸化膜厚の不均一が生じて電界集中の生じやす
い個所が形成されたり、添加不純物のSi酸化膜への拡散
が生じ、局所的に不純物を高濃度に含有するSi酸化膜と
なり、リークを生じやすい部分が形成される等、絶縁耐
圧が著しく劣化するという問題がある。
Si薄膜を熱酸化して形成するSi酸化膜は、スタック型
容量部を有するDRAMの容量膜や、EPROMのトンネル酸化
膜としてデバイスに用いられるが、上述の様な不純物を
高濃度に含有するSi薄膜上に熱酸化で形成したSi酸化膜
をこれらのデバイスに適用すると、デバイスの信頼性が
著しく損なわれる上に、デバイスの製造歩留りも悪化す
るという問題点があった。
容量部を有するDRAMの容量膜や、EPROMのトンネル酸化
膜としてデバイスに用いられるが、上述の様な不純物を
高濃度に含有するSi薄膜上に熱酸化で形成したSi酸化膜
をこれらのデバイスに適用すると、デバイスの信頼性が
著しく損なわれる上に、デバイスの製造歩留りも悪化す
るという問題点があった。
本発明によれば、被堆積基板上に、不純物を添加した
多結晶Siもしくは非晶質Siを堆積する工程と、続いて不
純物を添加しない多結晶Siもしくは非晶質Siを前記不純
物を添加した多結晶Siもしくは非晶質Si上に直接に堆積
する工程とを有するSi薄膜の形成方法が得られる。
多結晶Siもしくは非晶質Siを堆積する工程と、続いて不
純物を添加しない多結晶Siもしくは非晶質Siを前記不純
物を添加した多結晶Siもしくは非晶質Si上に直接に堆積
する工程とを有するSi薄膜の形成方法が得られる。
さらに本発明によれば、不純物を添加しない第１の多
結晶Siもしくは非晶質Siを形成する工程と、続いて不純
物を添加した第２の多結晶Siもしくは非晶質Siを第１の
多結晶Siもしくは非晶質Si上に直接に堆積する工程と、
続いて不純物を添加しない第３の多結晶Siもしくは非晶
質Siを第２の多結晶Siもしくは非晶質Si上に直接に堆積
する工程とを有するSi薄膜の形成方法が得られる。
結晶Siもしくは非晶質Siを形成する工程と、続いて不純
物を添加した第２の多結晶Siもしくは非晶質Siを第１の
多結晶Siもしくは非晶質Si上に直接に堆積する工程と、
続いて不純物を添加しない第３の多結晶Siもしくは非晶
質Siを第２の多結晶Siもしくは非晶質Si上に直接に堆積
する工程とを有するSi薄膜の形成方法が得られる。
不純物を添加した多結晶Siもしくは非晶質Si堆積層の
不純物濃度Ｃを１×1020atoms/cm3以上とし、前記不純
物を添加した多結晶Siもしくは非晶質Si堆積層の膜厚を
Tdとし、前記不純物を添加した多結晶Siもしくは非晶質
Siが複数ある場合は、その合計の厚さをＴ′ｄとし、堆
積するSi薄膜の合計の厚さをＴとすると、T,Td,Td′及
びＣがTd/Tもしくは の関係にあることが好ましい。
不純物濃度Ｃを１×1020atoms/cm3以上とし、前記不純
物を添加した多結晶Siもしくは非晶質Si堆積層の膜厚を
Tdとし、前記不純物を添加した多結晶Siもしくは非晶質
Siが複数ある場合は、その合計の厚さをＴ′ｄとし、堆
積するSi薄膜の合計の厚さをＴとすると、T,Td,Td′及
びＣがTd/Tもしくは の関係にあることが好ましい。
また、本発明によれば、第１の不純物を添加しない第
１の多結晶Siもしくは非晶質Siを形成する工程と、続い
て酸素吸着層を第１の多結晶Siもしくは非晶質Si上に形
成する工程と、続いて不純物を添加した第２の多結晶Si
もしくは非晶質Siを酸素吸着層上に堆積する工程とを有
するSi薄膜の形成方法が得られる。
１の多結晶Siもしくは非晶質Siを形成する工程と、続い
て酸素吸着層を第１の多結晶Siもしくは非晶質Si上に形
成する工程と、続いて不純物を添加した第２の多結晶Si
もしくは非晶質Siを酸素吸着層上に堆積する工程とを有
するSi薄膜の形成方法が得られる。
さらに、本発明によれば不純物を添加しない第１の多
結晶Siもしくは非晶質Siを形成する工程と、続いて第１
の酸素吸着層を第１の多結晶Siもしくは非晶質Si上に形
成する工程と、続いて不純物を添加した第２の多結晶Si
もしくは非晶質Siを第１の酸素吸着層上に堆積する工程
と、続いて第２の酸素吸着層を第２の多結晶Siもしくは
非晶質Si上に形成する工程と続いて不純物を添加しない
第３の多結晶Siもしくは非晶質Siを第２の酸素吸着層上
に形成する工程を有するSi薄膜の形成方法が得られる。
結晶Siもしくは非晶質Siを形成する工程と、続いて第１
の酸素吸着層を第１の多結晶Siもしくは非晶質Si上に形
成する工程と、続いて不純物を添加した第２の多結晶Si
もしくは非晶質Siを第１の酸素吸着層上に堆積する工程
と、続いて第２の酸素吸着層を第２の多結晶Siもしくは
非晶質Si上に形成する工程と続いて不純物を添加しない
第３の多結晶Siもしくは非晶質Siを第２の酸素吸着層上
に形成する工程を有するSi薄膜の形成方法が得られる。
なお、不純物を添加した多結晶Siもしくは非晶質Siを
堆積した後、前記不純物を添加しない多結晶Siもしくは
非晶質Siを堆積し終える前に、酸素吸着層を形成するこ
ともできる。
堆積した後、前記不純物を添加しない多結晶Siもしくは
非晶質Siを堆積し終える前に、酸素吸着層を形成するこ
ともできる。
本発明のSi薄膜の堆積方法は、Si薄膜の堆積過程にお
いてドーピングガスを間欠的に反応ガス中に混合し、不
純物を添加したSi薄膜を堆積した後に、重ねて不純物を
添加しないSi薄膜を堆積することによりデバイスの信頼
性を高めている。
いてドーピングガスを間欠的に反応ガス中に混合し、不
純物を添加したSi薄膜を堆積した後に、重ねて不純物を
添加しないSi薄膜を堆積することによりデバイスの信頼
性を高めている。
また、より確実に信頼性を高めるための第１の手段と
して不純物を添加したSi薄膜中の不純物がその後形成さ
れた不純物を添加しないSi薄膜中に十分均一に拡散して
も、最終的なSi薄膜表面の不純物濃度が１×1019atoms/
cm3以下となる様に、不純物を添加したSi薄膜と不純物
を添加しないSi薄膜の膜厚比を調整している。
して不純物を添加したSi薄膜中の不純物がその後形成さ
れた不純物を添加しないSi薄膜中に十分均一に拡散して
も、最終的なSi薄膜表面の不純物濃度が１×1019atoms/
cm3以下となる様に、不純物を添加したSi薄膜と不純物
を添加しないSi薄膜の膜厚比を調整している。
更に、第２の手段として、Si薄膜の堆積過程におい
て、Si原料ガスの供給を一時中断し、この中断期間に希
釈酸素（O2）を流して、堆積途上のSi薄膜上に酸素の吸
着層を形成している。
て、Si原料ガスの供給を一時中断し、この中断期間に希
釈酸素（O2）を流して、堆積途上のSi薄膜上に酸素の吸
着層を形成している。
本発明は、インサイチュードーピング（in situ dopi
ng）法によってSi薄膜を堆積するものである。この方法
によって、堆積したSi薄膜中の不純物濃度を均一に保つ
ためには、第７図に示す様に、ドーピングガス供給時に
おけるSi薄膜中の不純物濃度を１×1020atoms/cm3程度
以上に高めることが好ましい。一方、Si薄膜形成後にSi
酸化膜を形成する場合、絶縁耐圧の劣化を防止するに
は、Si薄膜表面における不純物濃度を１×1019atoms/cm
3以下にすることが望ましい（第３図参照）。Si薄膜表
面における不純物濃度がそれより高いと、デバイスの信
頼性が著しく損われるからである。
ng）法によってSi薄膜を堆積するものである。この方法
によって、堆積したSi薄膜中の不純物濃度を均一に保つ
ためには、第７図に示す様に、ドーピングガス供給時に
おけるSi薄膜中の不純物濃度を１×1020atoms/cm3程度
以上に高めることが好ましい。一方、Si薄膜形成後にSi
酸化膜を形成する場合、絶縁耐圧の劣化を防止するに
は、Si薄膜表面における不純物濃度を１×1019atoms/cm
3以下にすることが望ましい（第３図参照）。Si薄膜表
面における不純物濃度がそれより高いと、デバイスの信
頼性が著しく損われるからである。
そこで、本発明では不純物を添加したSi薄膜形成時に
は、従来通り不純物濃度が１×1020atoms/cm3程度以上
の高濃度で形成し、その後不純物を添加しないSi薄膜を
重ねて形成することによって、最終的なSi薄膜表面の不
純物濃度を１×1019atoms/cm3以下に抑える様にしてい
る。
は、従来通り不純物濃度が１×1020atoms/cm3程度以上
の高濃度で形成し、その後不純物を添加しないSi薄膜を
重ねて形成することによって、最終的なSi薄膜表面の不
純物濃度を１×1019atoms/cm3以下に抑える様にしてい
る。
ところが、Si薄膜の形成は500℃〜800℃程度の温度領
域で行われるため、不純物を添加したSi薄膜から、表面
へ向かって添加不純物の拡散が生じる。また、集積回路
の製造工程では、Si薄膜堆積後にも800℃〜900℃の熱処
理が行われるため、不純物はSi薄膜全体にほぼ均一に拡
散してしまう。Si薄膜中における最終的な深さ方向への
不純物の濃度分布は、デバイス特性にあまり影響せず、
殆ど問題にならないが、不純物の拡散によって表面不純
物濃度が１×1019atoms/cm3より高くなってしまうのは
好ましくない。不純物を添加したSi薄膜の膜厚に対し
て、不純物を添加しないSi薄膜の膜厚を厚くする程、Si
薄膜中の不純物濃度が低くなり、最終的な表面不純物濃
度は低くなる。
域で行われるため、不純物を添加したSi薄膜から、表面
へ向かって添加不純物の拡散が生じる。また、集積回路
の製造工程では、Si薄膜堆積後にも800℃〜900℃の熱処
理が行われるため、不純物はSi薄膜全体にほぼ均一に拡
散してしまう。Si薄膜中における最終的な深さ方向への
不純物の濃度分布は、デバイス特性にあまり影響せず、
殆ど問題にならないが、不純物の拡散によって表面不純
物濃度が１×1019atoms/cm3より高くなってしまうのは
好ましくない。不純物を添加したSi薄膜の膜厚に対し
て、不純物を添加しないSi薄膜の膜厚を厚くする程、Si
薄膜中の不純物濃度が低くなり、最終的な表面不純物濃
度は低くなる。
不純物を添加したSi薄膜中の不純物濃度をＣ、不純物
を添加したSi薄膜の厚さをTd、膜が複数ある時はその合
計の厚さをＴ′ｄとし、Si薄膜全体の厚さをＴとする。
不純物がSi薄膜全体に均一になるまで拡散したとする
と、Si薄膜中の不純物濃度は となる。したがって、 が1019atoms/cm3以下であれば、Si薄膜表面の不純物濃
度も1019atoms/cm3以下である。すなわち、T,Td,Td,T
d′及びＣが すなわち、 の関係にあることが望ましい。尚、一般には不純物を添
加したSi薄膜を不純物を添加しないSi薄膜の深さ方向に
おける中央部に持ってくるのが好ましい。また、不純物
を添加したSi薄膜と不純物を添加しないSi薄膜を複数重
ねた場合でも同様の効果が得られる。更に、不純物を添
加しないSi薄膜の代わりに、不純物をわずかに添加した
Si薄膜を用いる時にも同様にして膜厚比を調整すること
ができる。次に表面不純物濃度を低くする方法として不
純物を添加したSi薄膜から表面への不純物の拡散を抑え
るために、不純物を添加したSi薄膜と不純物を添加しな
いSi薄膜との界面又は不純物を添加したSi薄膜上に設け
られた不純物を添加しないSi薄膜中に酸素吸着層を形成
する方法が挙げられる。酸素の吸着層は、堆積する膜が
poly−Siの場合、Si結晶粒の成長を停止させ、新しい粒
界を形成する作用があり、この粒界に高濃度の不純物を
偏析させ、実効的に不純物の拡散を抑制ささせる効果を
生じさせる。堆積させる膜がａ−Siの場合においても、
後の熱処理でａ−Siが結晶化する際、酸素吸着層が存在
した部分が粒界となり、poly−Siの場合と同等の効果が
生じる。酸素吸着層を介して不純物の拡散が減少するの
で、不純物を添加したSi薄膜と不純物を添加しないSi薄
膜との界面又は不純物を添加したSi薄膜上に設けられた
不純物を添加しないSi薄膜中に酸素吸着層を形成すれ
ば、表面不純物濃度を低く抑えることができる。尚、不
純物を添加しないSi薄膜と同等に酸素吸着層も不純物を
添加したSi薄膜の上下両方に形成することが好ましい。
また、不純物を添加したSi薄膜，酸素吸着層及び不純物
を添加しないSi薄膜の多重積層構造を形成しても同様の
効果が得られる。
を添加したSi薄膜の厚さをTd、膜が複数ある時はその合
計の厚さをＴ′ｄとし、Si薄膜全体の厚さをＴとする。
不純物がSi薄膜全体に均一になるまで拡散したとする
と、Si薄膜中の不純物濃度は となる。したがって、 が1019atoms/cm3以下であれば、Si薄膜表面の不純物濃
度も1019atoms/cm3以下である。すなわち、T,Td,Td,T
d′及びＣが すなわち、 の関係にあることが望ましい。尚、一般には不純物を添
加したSi薄膜を不純物を添加しないSi薄膜の深さ方向に
おける中央部に持ってくるのが好ましい。また、不純物
を添加したSi薄膜と不純物を添加しないSi薄膜を複数重
ねた場合でも同様の効果が得られる。更に、不純物を添
加しないSi薄膜の代わりに、不純物をわずかに添加した
Si薄膜を用いる時にも同様にして膜厚比を調整すること
ができる。次に表面不純物濃度を低くする方法として不
純物を添加したSi薄膜から表面への不純物の拡散を抑え
るために、不純物を添加したSi薄膜と不純物を添加しな
いSi薄膜との界面又は不純物を添加したSi薄膜上に設け
られた不純物を添加しないSi薄膜中に酸素吸着層を形成
する方法が挙げられる。酸素の吸着層は、堆積する膜が
poly−Siの場合、Si結晶粒の成長を停止させ、新しい粒
界を形成する作用があり、この粒界に高濃度の不純物を
偏析させ、実効的に不純物の拡散を抑制ささせる効果を
生じさせる。堆積させる膜がａ−Siの場合においても、
後の熱処理でａ−Siが結晶化する際、酸素吸着層が存在
した部分が粒界となり、poly−Siの場合と同等の効果が
生じる。酸素吸着層を介して不純物の拡散が減少するの
で、不純物を添加したSi薄膜と不純物を添加しないSi薄
膜との界面又は不純物を添加したSi薄膜上に設けられた
不純物を添加しないSi薄膜中に酸素吸着層を形成すれ
ば、表面不純物濃度を低く抑えることができる。尚、不
純物を添加しないSi薄膜と同等に酸素吸着層も不純物を
添加したSi薄膜の上下両方に形成することが好ましい。
また、不純物を添加したSi薄膜，酸素吸着層及び不純物
を添加しないSi薄膜の多重積層構造を形成しても同様の
効果が得られる。
また、不純物を添加したSi薄膜と添加しないSi薄膜を
制御する方法と酸素吸着膜を形成する方法を併合して形
成することも可能であり、確実性を高めるという点で好
ましい。
制御する方法と酸素吸着膜を形成する方法を併合して形
成することも可能であり、確実性を高めるという点で好
ましい。
次に本発明について図面を参照して説明する。
第１図は、本発明の第１の実施例の反応ガス（SiH4及
びPH3）流量制御系の開閉のタイミングチャート及び堆
積過程の概略図である。時間t0においてLPCVD装置内に
設置されたSi基板１上に時間t1の間SiH4が供給され、先
ず第１のノンドープSi薄膜２が堆積される。SiH4につい
ては、この後連続して時間t2,t3の間供給されるが、PH3
については、t1のノンドープSi薄膜堆積後、t2の間だけ
供給され、ノンドープSi薄膜２上に連続してドープSi薄
膜３が堆積される。ドープSi薄膜３堆積後再びSiH4だけ
が時間t3の間供給され、ドープSi薄膜３上に第２のノン
ドープSi薄膜４が堆積され、時間t4でLPCVD装置から取
り出される。時間txは任意に設定可能であるが、t2は後
にSi薄膜が酸化される際に表面不純物濃度が１×1019at
oms/cm3以下になる様設定される事が望ましい。
びPH3）流量制御系の開閉のタイミングチャート及び堆
積過程の概略図である。時間t0においてLPCVD装置内に
設置されたSi基板１上に時間t1の間SiH4が供給され、先
ず第１のノンドープSi薄膜２が堆積される。SiH4につい
ては、この後連続して時間t2,t3の間供給されるが、PH3
については、t1のノンドープSi薄膜堆積後、t2の間だけ
供給され、ノンドープSi薄膜２上に連続してドープSi薄
膜３が堆積される。ドープSi薄膜３堆積後再びSiH4だけ
が時間t3の間供給され、ドープSi薄膜３上に第２のノン
ドープSi薄膜４が堆積され、時間t4でLPCVD装置から取
り出される。時間txは任意に設定可能であるが、t2は後
にSi薄膜が酸化される際に表面不純物濃度が１×1019at
oms/cm3以下になる様設定される事が望ましい。
次に本実施例により直径150mmのSi基板に堆積した厚
さ500nmのpoly−Si膜上に熱酸化により形成したSi酸化
膜の絶縁特性について述べる。Si原料ガスとしてはSi
H4、ドーピングガスとしてはPH3を用い、650℃,0.6Torr
の条件で堆積を行った。ドーピングはPH3/SiH4の混合モ
ル比を５×10-4として行ない、このドーピング条件下で
はpoly−Si膜中のＰ濃度は1.5×1020atoms/cm3となる。
試料Ａでは、第１のノンドープpoly−Si膜を200nm堆積
後ドープpoly−Si膜を20nm堆積し、次に第２のノンドー
プpoly−Si膜を280nm堆積した。試料Ｂでは、ドープpol
y−Si膜を40nm、第２のノンドープpoly−Si膜を260nm堆
積した。また、従来技術による参照資料として500nm全
てをドープpoly−Si膜とした試料Ｃも作製した。以上３
種類の試料について、厚さ20nmのSi酸化膜を900℃乾燥
酸素雰囲気で形成し、面積1mm2のアルミニウム電極を形
成してMOSダイオードを作製した。
さ500nmのpoly−Si膜上に熱酸化により形成したSi酸化
膜の絶縁特性について述べる。Si原料ガスとしてはSi
H4、ドーピングガスとしてはPH3を用い、650℃,0.6Torr
の条件で堆積を行った。ドーピングはPH3/SiH4の混合モ
ル比を５×10-4として行ない、このドーピング条件下で
はpoly−Si膜中のＰ濃度は1.5×1020atoms/cm3となる。
試料Ａでは、第１のノンドープpoly−Si膜を200nm堆積
後ドープpoly−Si膜を20nm堆積し、次に第２のノンドー
プpoly−Si膜を280nm堆積した。試料Ｂでは、ドープpol
y−Si膜を40nm、第２のノンドープpoly−Si膜を260nm堆
積した。また、従来技術による参照資料として500nm全
てをドープpoly−Si膜とした試料Ｃも作製した。以上３
種類の試料について、厚さ20nmのSi酸化膜を900℃乾燥
酸素雰囲気で形成し、面積1mm2のアルミニウム電極を形
成してMOSダイオードを作製した。
第２図（ａ）〜（ｃ）は、これらのMOSダイオードの
絶縁耐圧分布を示したものである。試料Ａ（第２図
（ａ））では作製したMOSダイオードの90％以上が電界
強度7MV/cm以上で、極めて良好な絶縁耐圧を示した。こ
の時試料Ａのpoly−Si膜表面のＰ濃度は4.5×1018atoms
/cm3であり、面内のＰ濃度のバラツキも±５％以内と良
好であった。
絶縁耐圧分布を示したものである。試料Ａ（第２図
（ａ））では作製したMOSダイオードの90％以上が電界
強度7MV/cm以上で、極めて良好な絶縁耐圧を示した。こ
の時試料Ａのpoly−Si膜表面のＰ濃度は4.5×1018atoms
/cm3であり、面内のＰ濃度のバラツキも±５％以内と良
好であった。
試料Ｂ（第２図（ｂ））では作製したMOSダイオード
の75％が7MV/cm以上の耐圧を示し、概ね良好な耐圧特性
が得られた。この時の試料Ｂのpoly−Si膜表面のＰ濃度
は9.2×1018atoms/cm3であり面内のＰ濃度のバラツキも
±５％以内であった。従来技術による試料Ｃ（第２図
（ｃ））では、poly−Si膜表面のＰ濃度は12×1020atom
s/cm3でバラツキは±３％程度であったが、7MV/cm以上
の耐圧を示すMOSダイオードは皆無であり本実施例の優
位性が確かめられた。
の75％が7MV/cm以上の耐圧を示し、概ね良好な耐圧特性
が得られた。この時の試料Ｂのpoly−Si膜表面のＰ濃度
は9.2×1018atoms/cm3であり面内のＰ濃度のバラツキも
±５％以内であった。従来技術による試料Ｃ（第２図
（ｃ））では、poly−Si膜表面のＰ濃度は12×1020atom
s/cm3でバラツキは±３％程度であったが、7MV/cm以上
の耐圧を示すMOSダイオードは皆無であり本実施例の優
位性が確かめられた。
本実施例の試料Ｂでは、表面のＰ濃度は9.2×1018ato
ms/cm3であったが、表面Ｐ濃度が１×1019atoms/cm3を
越えると、第３図の様に耐圧特性は劣化が著しくなり、
表面Ｐ濃度は１×1019atoms/cm3以下が望ましい事が確
かめられた。
ms/cm3であったが、表面Ｐ濃度が１×1019atoms/cm3を
越えると、第３図の様に耐圧特性は劣化が著しくなり、
表面Ｐ濃度は１×1019atoms/cm3以下が望ましい事が確
かめられた。
以上の様に本発明では最終的に堆積したSi薄膜の表面
不純物濃度を１×1019atoms/cm3以下とすることが望ま
しい。しかし面内均一性を確保するためにはドープSi薄
膜の不純物濃度Ｃは１×1020atoms/cm3以上とすること
が望ましいからドープSi薄膜の厚さTdと堆積したSi薄膜
全体の厚さＴとの間には、 なる関係が成り立つ様、ドープSi薄膜の厚さを設定する
ことが望ましい。
不純物濃度を１×1019atoms/cm3以下とすることが望ま
しい。しかし面内均一性を確保するためにはドープSi薄
膜の不純物濃度Ｃは１×1020atoms/cm3以上とすること
が望ましいからドープSi薄膜の厚さTdと堆積したSi薄膜
全体の厚さＴとの間には、 なる関係が成り立つ様、ドープSi薄膜の厚さを設定する
ことが望ましい。
尚、本実施例ではドープSi薄膜を一層堆積した例につ
いて述べたが、下地基板との界面及び表面がノンドープ
Si薄膜であれば、ドープ／ノンドープSi薄膜が複数層重
ねて堆積されても同様の効果が得られる。また、反応ガ
スとしてSiH4,PH3を用いたが、他のシラン系ガス（Si2H
6,SiH2Cl2等）ドーピングガス（B2H6等）を用いてもよ
い。
いて述べたが、下地基板との界面及び表面がノンドープ
Si薄膜であれば、ドープ／ノンドープSi薄膜が複数層重
ねて堆積されても同様の効果が得られる。また、反応ガ
スとしてSiH4,PH3を用いたが、他のシラン系ガス（Si2H
6,SiH2Cl2等）ドーピングガス（B2H6等）を用いてもよ
い。
次に本発明の第２の実施例について述べる。第４図は
本実施例における反応ガス流量制御系開閉のタイミング
チャートの概略である。反応ガスとしてはSIH4,PH3に加
えてＯを含んでいる。また第５図は第４図における実施
例の堆積過程の概略図である。時間t0においてLPCVD装
置内に設置されたSi基板５上に時間t1の間SiH4が供給さ
れ、第１のノンドープSi薄膜６が堆積される。この後、
時間t2のSiH4の供給は停止され、時間t2の間不活性ガス
で希釈されたO2が第１のノンドープSi薄膜６上に供給さ
れ、第１の酸素吸着層７が形成される。次に、時間t3の
間SiH4及びPH3が第１の酸素吸着層７上に供給され、ド
ープSi薄膜８が堆積される。続いて、時間t4の間SiH4の
供給は停止され、時間t4の間希釈O2がドープSi薄膜８上
に供給され第２の酸素吸着層９が形成される。さらに、
時間t5の間SiH4が第２の酸素吸着層９上に供給され、第
２のノンドープSi薄膜10が堆積され、最後に時間t6でLP
CVD装置から取り出される。時間txは任意に設定できる
が、t3は後にSi薄膜が酸化される際、表面不純物濃度が
１×1019atoms/cm3以下となる様設定される事が望まし
い。また酸素吸着層形成に際しては、堅固なSi熱酸化膜
が形成される様な条件は避けなくてはならない事から不
活性ガスによるO2の希釈率は１体積％未満とし、供給時
間（t2,t4）も数分間でよい。
本実施例における反応ガス流量制御系開閉のタイミング
チャートの概略である。反応ガスとしてはSIH4,PH3に加
えてＯを含んでいる。また第５図は第４図における実施
例の堆積過程の概略図である。時間t0においてLPCVD装
置内に設置されたSi基板５上に時間t1の間SiH4が供給さ
れ、第１のノンドープSi薄膜６が堆積される。この後、
時間t2のSiH4の供給は停止され、時間t2の間不活性ガス
で希釈されたO2が第１のノンドープSi薄膜６上に供給さ
れ、第１の酸素吸着層７が形成される。次に、時間t3の
間SiH4及びPH3が第１の酸素吸着層７上に供給され、ド
ープSi薄膜８が堆積される。続いて、時間t4の間SiH4の
供給は停止され、時間t4の間希釈O2がドープSi薄膜８上
に供給され第２の酸素吸着層９が形成される。さらに、
時間t5の間SiH4が第２の酸素吸着層９上に供給され、第
２のノンドープSi薄膜10が堆積され、最後に時間t6でLP
CVD装置から取り出される。時間txは任意に設定できる
が、t3は後にSi薄膜が酸化される際、表面不純物濃度が
１×1019atoms/cm3以下となる様設定される事が望まし
い。また酸素吸着層形成に際しては、堅固なSi熱酸化膜
が形成される様な条件は避けなくてはならない事から不
活性ガスによるO2の希釈率は１体積％未満とし、供給時
間（t2,t4）も数分間でよい。
本実施例における酸素吸着層は、先述の様にpoly−Si
堆積時にはSi結晶粒の成長を停止させる作用を有し、酸
素吸着層の部分に結晶粒界を形成する効果がある。また
ａ−Si堆積時においても、ａ−Siが後の熱処理で結晶化
する際に酸素吸着層が結晶粒界形成域となる。不純物は
この結晶粒界に偏析する事から、Si薄膜表面の不純物濃
度を第１の実施例より低下させる事が可能となる。
堆積時にはSi結晶粒の成長を停止させる作用を有し、酸
素吸着層の部分に結晶粒界を形成する効果がある。また
ａ−Si堆積時においても、ａ−Siが後の熱処理で結晶化
する際に酸素吸着層が結晶粒界形成域となる。不純物は
この結晶粒界に偏析する事から、Si薄膜表面の不純物濃
度を第１の実施例より低下させる事が可能となる。
第６図に第１の実施例、第２の実施例及び従来技術に
よるドープpoly−Si膜中のリン濃度分布を示す。なお堆
積条件は第１の実施例の試料Ｂと同等であり本実施例の
酸素吸着層は、アルゴンにより0.02体積％に希釈したO2
を60秒間流す事で形成した。全ての試料を900℃の乾燥
窒素雰囲気中で10分間熱処理しこの後、２次イオン質量
分析装置によってリン濃度分布を測定した。第１の実施
例では表面Ｐ濃度は9.2×1018atoms/cm3であったのに対
し、第２の実施例では酸素吸着層にはさまれたドープpo
ly−Si層のＰ濃度が高くなり、表面Ｐ濃度は５×1018at
oms/cm3まで低減されている事が確認された。
よるドープpoly−Si膜中のリン濃度分布を示す。なお堆
積条件は第１の実施例の試料Ｂと同等であり本実施例の
酸素吸着層は、アルゴンにより0.02体積％に希釈したO2
を60秒間流す事で形成した。全ての試料を900℃の乾燥
窒素雰囲気中で10分間熱処理しこの後、２次イオン質量
分析装置によってリン濃度分布を測定した。第１の実施
例では表面Ｐ濃度は9.2×1018atoms/cm3であったのに対
し、第２の実施例では酸素吸着層にはさまれたドープpo
ly−Si層のＰ濃度が高くなり、表面Ｐ濃度は５×1018at
oms/cm3まで低減されている事が確認された。
以上説明した様に本発明は不純物を添加したSi薄膜を
堆積した後に、重ねて不純物を添加しないSi薄膜を堆積
することにより、最終的なSi薄膜の表面不純物濃度を低
く抑えることによって、デバイスの絶縁耐圧を向上させ
るという効果を有する。
堆積した後に、重ねて不純物を添加しないSi薄膜を堆積
することにより、最終的なSi薄膜の表面不純物濃度を低
く抑えることによって、デバイスの絶縁耐圧を向上させ
るという効果を有する。
不純物を添加したSi薄膜の不純物濃度Ｃが１×1020at
oms/cm3以上であり、不純物を添加したSi薄膜の膜厚をT
dとし、Si薄膜の合計の厚さをＴとする時、 で表わせるように設定することにより、Si薄膜の表面不
純物濃度を１×1019atoms/cm3以下に抑えるという効果
を有する。
oms/cm3以上であり、不純物を添加したSi薄膜の膜厚をT
dとし、Si薄膜の合計の厚さをＴとする時、 で表わせるように設定することにより、Si薄膜の表面不
純物濃度を１×1019atoms/cm3以下に抑えるという効果
を有する。
また、不純物を添加したSi薄膜を形成した後、不純物
を添加しないSi薄膜を形成し終える前に酸素吸着層を形
成することにより、不純物の拡散を抑え、Si薄膜の表面
不純物濃度を低く抑えるという効果を有する。
を添加しないSi薄膜を形成し終える前に酸素吸着層を形
成することにより、不純物の拡散を抑え、Si薄膜の表面
不純物濃度を低く抑えるという効果を有する。
Si薄膜の表面不純物濃度を１×1019atoms/cm3以下に
低く抑えると、Si薄膜上にSi熱酸化膜形成した後の膜厚
を均一にし、電界集中を緩和させると共に、添加不純物
のSi酸化膜への拡散が減少するので、Si酸化膜のリーク
が生じにくい等、絶縁耐圧を向上させるという効果を有
する。
低く抑えると、Si薄膜上にSi熱酸化膜形成した後の膜厚
を均一にし、電界集中を緩和させると共に、添加不純物
のSi酸化膜への拡散が減少するので、Si酸化膜のリーク
が生じにくい等、絶縁耐圧を向上させるという効果を有
する。
第１図は本発明の第１の実施例の反応ガス流量制御系の
開閉のタイミングチャート及び堆積過程の概略図、第２
図（ａ）〜（ｃ）は第１の実施例によるSi薄膜上のSi酸
化膜の絶縁耐圧分布、第３図は絶縁耐圧の膜中リン濃度
依存性を示す図、第４図は本発明の第２の実施例の反応
ガス流量制御系の開閉のタイミングチャートの概略図、
第５図は本発明の第２の実施例の堆積過程の概略図、第
６図は第1,第２の実施例及び従来例における膜中のリン
濃度分布を示す図、第７図は従来技術における膜中不純
物濃度と不純物濃度のバラツキの相関を示す図である。 １……Si基板、２……ノンドープSi薄膜、３……ドープ
Si薄膜、４……ノンドープSi薄膜、５……Si基板、６…
…ノンドープSi薄膜、７……酸素吸着層、８……ドープ
Si薄膜、９……酸素吸着層、10……ノンドープSi薄膜。
開閉のタイミングチャート及び堆積過程の概略図、第２
図（ａ）〜（ｃ）は第１の実施例によるSi薄膜上のSi酸
化膜の絶縁耐圧分布、第３図は絶縁耐圧の膜中リン濃度
依存性を示す図、第４図は本発明の第２の実施例の反応
ガス流量制御系の開閉のタイミングチャートの概略図、
第５図は本発明の第２の実施例の堆積過程の概略図、第
６図は第1,第２の実施例及び従来例における膜中のリン
濃度分布を示す図、第７図は従来技術における膜中不純
物濃度と不純物濃度のバラツキの相関を示す図である。 １……Si基板、２……ノンドープSi薄膜、３……ドープ
Si薄膜、４……ノンドープSi薄膜、５……Si基板、６…
…ノンドープSi薄膜、７……酸素吸着層、８……ドープ
Si薄膜、９……酸素吸着層、10……ノンドープSi薄膜。
Claims (5)
- 【請求項１】被堆積基板上に、不純物を添加した多結晶
Siもしくは非晶質Siを堆積する工程と、続いて不純物を
添加しない多結晶Siもしくは非晶質Siを前記不純物を添
加した多結晶Siもしくは非晶質Si上に直接に堆積する工
程とを有し、前記不純物を添加した多結晶Siもしくは非
晶質Si堆積層の不純物濃度Ｃが１×1020atoms/cm3以上
であり、前記不純物を添加した多結晶Siもしくは非晶質
Si堆積層の膜厚をTdとし、堆積するSi薄膜の合計の厚さ
をＴとすると、Ｔ、Td及びＣが （Td/T）≦（1019/C）の関係にあることを特徴とするSi
薄膜の形成方法。 - 【請求項２】不純物を添加しない第１の多結晶Siもしく
は非晶質Siを形成する工程と、続いて不純物を添加した
第２の多結晶Siもしくは非晶質Siを前記第１の多結晶Si
もしくは非晶質Si上に直接堆積する工程と、続いて不純
物を添加しない第３の多結晶Siもしくは非晶質Siを前記
第２の多結晶Siもしくは非晶質Si上に直接に堆積する工
程とを有し、前記不純物を添加した第２の多結晶Siもし
くは非晶質Si堆積層の不純物濃度Ｃが１×1020atoms/cm
3以上であり、前記不純物を添加した第１の多結晶Siも
しくは非晶質Siと前記不純物を添加した第３の多結晶Si
もしくは非晶質Siとの合計の厚さをＴ′ｄとし、堆積す
るSi薄膜の合計の厚さをＴとすると、Ｔ′ｄ及びＣが （Ｔ′d/T）≦（1019/C）の関係にあることを特徴とす
るSi薄膜の形成方法。 - 【請求項３】不純物を添加しない第１の多結晶Siもしく
は非晶質Siを形成する工程と、続いて酸素吸着層を前記
第１の多結晶Siもしくは非晶質Si上に形成する工程と、
続いて不順物を添加した第２の多結晶Siもしくは非晶質
Siを前記酸素吸着層上に堆積する工程とを有することを
特徴とするSi薄膜の形成方法。 - 【請求項４】不純物を添加しない第１の多結晶Siもしく
は非晶質Siを形成する工程と、続いて第１の酸素吸着層
を前記第１の多結晶Siもしくは非晶質Si上に形成する工
程と、続いて不純物を添加した第２の多結晶Siもしくは
非晶質Siを前記第１の酸素吸着層上に堆積する工程と、
続いて第２の酸素吸着層を前記第２の多結晶Siもしくは
非晶質Si上に形成する工程と、続いて不純物を添加しな
い第３の多結晶Siもしくは非晶質Siを前記第２の酸素吸
着層上に形成する工程とを有することを特徴とするSi薄
膜の形成方法。 - 【請求項５】被堆積基板上に、不純物を添加した多結晶
Siもしくは非晶質Siを堆積する工程と、続いて不純物を
添加しない多結晶Siもしくは非晶質Siを前記不純物を添
加した多結晶Siもしくは非晶質Si上に直接に堆積する工
程とを有し、前記不純物を添加した多結晶Siもしくは非
晶質Siを堆積した後、前記不純物を添加しない多結晶Si
もしくは非晶質Siを堆積し終える前に、酸素吸着層を形
成する工程をさらに有することを特徴とするSi薄膜の形
成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2243175A JP3064363B2 (ja) | 1990-09-13 | 1990-09-13 | Ｓｉ薄膜の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2243175A JP3064363B2 (ja) | 1990-09-13 | 1990-09-13 | Ｓｉ薄膜の形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04122022A JPH04122022A (ja) | 1992-04-22 |
| JP3064363B2 true JP3064363B2 (ja) | 2000-07-12 |
Family
ID=17099936
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2243175A Expired - Lifetime JP3064363B2 (ja) | 1990-09-13 | 1990-09-13 | Ｓｉ薄膜の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3064363B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2814962B2 (ja) * | 1995-08-30 | 1998-10-27 | 日本電気株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
-
1990
- 1990-09-13 JP JP2243175A patent/JP3064363B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04122022A (ja) | 1992-04-22 |
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