JPH0793278B2 - 多結晶シリコン膜へのリンの拡散方法 - Google Patents

多結晶シリコン膜へのリンの拡散方法

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JPH0793278B2
JPH0793278B2 JP1188925A JP18892589A JPH0793278B2 JP H0793278 B2 JPH0793278 B2 JP H0793278B2 JP 1188925 A JP1188925 A JP 1188925A JP 18892589 A JP18892589 A JP 18892589A JP H0793278 B2 JPH0793278 B2 JP H0793278B2
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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、多結晶シリコン膜に均一にかつリンを任意の
濃度で拡散させることのできる多結晶シリコン膜へのリ
ンの拡散方法に係る。
〔従来の技術〕
多結晶シリコン膜は、例えばMOSトランジスタのゲート
電極や配線として用いられるものである。そしてリンの
拡散とは、不純物であるリンを拡散現象を利用して所望
の拡散深さ、濃度分布で対象物である多結晶シリコン膜
の任意の領域に導入することである。
多結晶シリコン膜へのリンの拡散について説明する。こ
の多結晶シリコン膜は、シリコン基盤上に形成した酸化
膜(SiO2)上にCVD法(気相成長法)によって形成され
るものである。そしてこの多結晶シリコン膜へn形不純
物であるリンを拡散するのであるが、従来はPOCL3
O2、N2ガスとともに拡散炉に供給することによりリンを
拡散させていた。次に多結晶シリコン膜へのリン拡散の
態様について説明すると、多結晶シリコン膜表面に不純
物であるリンを含んだ酸化膜P2O5を形成する。その反応
式は、 次にP2O5とシリコン(Si)が反応して、多結晶シリコン
膜中へリンが拡散する。
その反応式は、 上記式(1)、(2)の化学反応は800〜1000℃の炉中
で起こさせている。
以上の反応の模様を示したのが第5図である。
ここで、多結晶シリコン膜にリンを拡散する場合、多結
晶シリコン膜の抵抗値を均一にするためリンを均一に拡
散することが必要である。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上記のような多結晶シリコン膜へのリン
の拡散方法では、拡散源であるP2O5が半導体ウエハを設
置している800〜1000℃という高温条件下の拡散炉で形
成されるため、P2O5の形成とともにリンの拡散が開始し
てしまう。
また、半導体ウエハが配列されている間隔は通常4〜8m
mであり、処理枚数は50〜100枚であるのでP2O5等の不純
物ガスを拡散していく場合、次のような問題がある。つ
まり、不純物ガスは配列している半導体ウエハ個々の周
辺から、中央部に向かって拡散していき、反応も同様の
方向に順次行われていく。これは主に半導体ウエハ相互
の間隔が狭くなっているためである。
したがって、多結晶シリコン膜周辺部に拡散するリン濃
度が高くなる一方で、中央部にいくにしたがってリン濃
度が低くなる。そしてリン濃度は不均一になるのであ
る。
これに対処するため拡散時間を長くして、多結晶シリコ
ン膜にリンが飽和するまで拡散させ、高濃度にリンを拡
散させることが行われている。この方法によれば、多結
晶シリコン膜にリンが飽和状態で拡散しているため、多
結晶シリコン膜の周辺部から中央部にかけてリン濃度を
均一にすることが可能となる。
しかしながら、この方法によるとリンが高濃度に拡散さ
れる(固容限界値まで拡散される)ために、SiO2膜と多
結晶シリコン膜との界面にリンが偏析し、リン拡散後の
工程で行われる多結晶シリコン膜のエッチングの際、該
多結晶シリコン膜にアンダーカットが生じてしまうので
ある。このアンダーカットが生じると、例えば絶縁ゲー
ト形電界効果トランジスタにおいてはゲート電極(多結
晶シリコン膜)とソース・ドレイン端が離れてしまうの
で、オフセット状態が生じ半導体装置の不良の原因とな
ってしまうという問題がある。なお、ここでアンダーカ
ットとはドライエッチング時に生じる多結晶シリコンゲ
ートのゲート酸化膜上付近での彫り込みをいう。
一方、アンダーカットを避けるため拡散時間を短縮する
と、多結晶シリコン膜へ拡散されるリン濃度の不均一を
招いてしまうのである。
本発明は、上記問題点を解決するために提案されるもの
で、アンダーカットを生じさせることなく多結晶シリコ
ン膜へリンを均一に拡散させることのできる多結晶シリ
コン膜へのリンの拡散方法を提供することを目的とした
ものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、上記目的を達成するためシリコンウエハ上に
SiO2膜を介して形成した多結晶シリコン膜にリンを拡散
させる方法において、低温に保持したリン拡散炉内に、
少なくともPOCl3ガスとO2ガスとを導入し、P2O5を形成
して、前記多結晶シリコン膜上に堆積させた後、前記導
入ガスを遮断し、前記リン拡散炉を昇温して、前記多結
晶シリコン膜へリンを拡散させるようにし、またシリコ
ンウエハ上にSiO2膜を介して形成した多結晶シリコン膜
にリンを拡散させる方法において、低温に保持したリン
拡散炉内に、外部で形成したP2O5を導入し、前記多結晶
シリコン膜上に堆積させた後、前記導入P2O5を遮断し、
前記リン拡散炉を昇温して、前記多結晶シリコン膜へリ
ンを拡散させるようにした多結晶シリコン膜へのリンの
拡散方法とした。
〔作用〕
このようにP2O5の形成工程とリン拡散工程とを分け、さ
らにリン拡散を行う場合のみリン拡散炉を高温にするよ
うにしたためアンダーカットを生じさせることなく、し
かも均一にリンを拡散させることができる。
〔実施例〕
第1図の拡散装置に従い本発明の第1実施例を説明す
る。本実施例では、多結晶シリコン膜表面に不純物であ
るリンを含んだ酸化膜P2O5を形成するのに外部燃焼炉1
を用いた。
この拡散装置は、リン拡散炉2の内部にはウエハ支持台
7を設けシリコンウエハ4を整列収容できるようにして
ある。そして、リン拡散炉2の外側の両側にはリン拡散
炉用ヒータ6を配設して内部を加熱できるようにしてい
る。リン拡散炉2の内部に不純物ガス等を供給するため
のガス導入口5を設けているが、このガス導入口5とリ
ン拡散炉2との間には、外部燃焼炉1を設けるとともに
その外方には外部燃焼炉用ヒータ3を設けている。
先ず単結晶シリコンウエハを酸化炉に搬入し、1000℃の
加熱状況でシリコンウエハ表面に300ÅのゲートSiO2
を形成する。次にこのシリコンウエハを酸化炉から取り
出し、減圧CVD炉に搬入する。この減圧CVD炉にシランガ
スをキャリアガスとともに供給して前記ゲートSiO2膜上
に多結晶シリコン膜を3500Å形成する。この場合の多結
晶シリコン膜の形成における反応式は、SiH4→Si+2H2
である。
次にシリコンウエハ4をリン拡散炉2に搬入してリン拡
散を行うのである。これには先ず外部燃焼炉用ヒータ3
により外部燃焼炉1内の温度を900℃として、リン拡散
炉2内の温度を400℃に保持する。そして液体のPOCl3
N2:0.4リットル/分でバブリングしてO2:0.5リットル/
分とともにガス導入口5を介して外部燃焼炉1に供給す
る。この工程を1時間継続させる。その後POCl3ガスお
よびO2ガスを遮断し、パージN2:10リットル分に切り換
え、リン拡散炉2をほぼ30分かけて850℃に昇温して30
分間この状態を保持する。なお、外部燃焼炉1とリン拡
散炉2との間でP2O5が結露しないようにヒータを設けて
保温状態とするのが望ましい。
このようにしてリン拡散をしたリン濃度分布を判定する
には、これと相関するファクターとしてのシート抵抗を
測定すればよい。このシート抵抗は大きいほどシリコン
ウエハ4へ拡散したリン濃度が高いということになる。
そして、シート抵抗のバラツキが少ない程リンがシリコ
ンウエハ4に均一に拡散しているということになる。本
実施例ではシート抵抗の測定をしたところ、35±1Ω/
口となっていた。このようにシート抵抗のバラツキが±
1Ω/口と少なく、リンが均一に拡散していることが判
明した。
次にリンを拡散したシリコンウエハを反応性スパッタエ
ッチング装置に搬入し、ドライエッチングをするのであ
るが本実施例によるシリコンウエハにはドライエッチン
グの結果、多結晶シリコン膜にアンダーカットの発生は
ほとんど認められなかった。第2図はその状態を示した
ものである。
次に第3図の拡散装置に従い本発明の第2実施例を説明
する。本実施例では、酸化膜P2O5の形成はリン拡散炉2
で行った。
この拡散装置は、第1実施例の場合と異なり外部燃焼炉
は設けていない。他の構成については第1実施例の場合
と同様である。
先ず単結晶シリコンウエハを酸化炉に搬入し、1000℃の
加熱状況でシリコンウエハ表面に300ÅのゲートSiO2
を形成する。次にこのシリコンウエハを酸化炉から取り
出し、減圧CVD炉に搬入する。この減圧CVD炉にシランガ
スをキャリアガスとともに供給して前記ゲートSiO2膜上
に多結晶シリコン膜を3500Å形成する。
次にリン拡散炉2に搬入してリン拡散を行う。先ず液体
のPOCl3をN2:0.4リットル分でバブリングしてO2:0.5リ
ットル/分とともにリン拡散炉2に供給する。この場合
の温度条件は、750℃とし、1時間保持する。次にPOCl3
ガスおよびO2ガスを遮断し、パージN2:10リットル分に
切り換えリン拡散炉2を10分かけて850℃に昇温し、こ
の状態を50分間保持した。
このようなリン拡散によるリン濃度分布を判定するため
シリコンウエハ4のシート抵抗を測定したところ、35±
2Ω/口となっておりシート抵抗のバラツキは±2Ω/
口であり、リンの拡散状況は均一であることが判明し
た。
次にリン拡散をしたシリコンウエハ4を反応性スパッタ
エッチング装置に搬入しドライエッチングしたが、第1
実施例と同様に多結晶シリコン膜にアンダーカットの発
生は認められなかった。
以上の本発明に係る効果は従来例と比較することによっ
て、一層明確になる。つまり、従来法ではシリコンウエ
ハのシート抵抗を測定したところ35+10Ω/口であっ
た。このようにシート抵抗のバラツキが、±10Ω/口と
大きくリンの拡散状態は不均一であったのである。さら
に反応性スパッタエッチング装置によるドライエッチン
グの結果は、第4図に示すようにアンダーカットの発生
が顕著に認められたのである。
なお、従来例に係るリンの拡散について説明すると、先
ず単結晶シリコンウエハを酸化炉に搬入し、1000℃でシ
リコンウエハ表面に300Åの酸化膜(SiO2)を形成す
る。次にシリコンウエハを酸化炉から取り出し、減圧CV
D炉に搬入する。この減圧CVD炉にシランガスをキャリア
ガスとともに供給して、前記酸化膜上に多結晶シリコン
膜を3500Å形成する。次にシリコンウエハをリン拡散炉
に搬入して、リン拡散を行う。この場合は液体のPOCl3
をN2:0.4リットル/分でバブリングしてO2:0.5リットル
/分とともにリン拡散炉に供給する。この場合のリン拡
散炉の温度は、850℃として45分間保持した。
〔発明の効果〕
以上のごとく、本発明によればP2O5の形成工程とリン拡
散工程とを分けているので、形成したP2O5を低温に保持
しておいたリン拡散炉へ長時間(1〜2時間)供給する
ことによりリン拡散を防ぎながら、シリコンウエハの周
辺部から中央部にかけて、充分な濃厚のP2O5の堆積を確
保できる。従って、リン拡散炉を昇温し所要の反応を介
してリン拡散を行うことにより、シリコンウエハ面内に
おいて均一にリンの拡散を実現できる。このようにシリ
コンウエハ面内および多結晶シリコン膜の深さ方向にお
いて、均一にリンの拡散を実現でき多結晶シリコンゲー
ト形成時に生じるアンダーカットの発生を防止できる。
さらにデザインルールが小さくなるとゲート酸化膜厚が
薄くなるが、それによるリンの突き抜けもリン濃度をシ
リコンウエハ面内およびた結晶シリコン膜の厚さ方向に
均一にすることにより防止できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の第1実施例に用いる拡散装置の概要
図、 第2図は、ドライエッチング後の多結晶シリコン膜近傍
の拡大図、 第3図は、本発明の第2実施例に用いる拡散装置の概要
図、 第4図は、ドライエッチング後の従来の多結晶シリコン
膜近傍の拡大図、 第5図は、リン拡散の態様を示す説明図である。 1……外部燃焼炉 2……リン拡散炉 3……外部燃焼用ヒータ 4……シリコンウエハ 5……ガス導入口

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコンウエハ上にSiO2膜を介して形成し
    た多結晶シリコン膜にリンを拡散させる方法において、 低温に保持したリン拡散炉内に、少なくともPOCl3ガス
    とO2ガスとを導入し、P2O5を形成して、前記多結晶シリ
    コン膜上に堆積させた後、前記導入ガスを遮断し、前記
    リン拡散炉を昇温して、前記多結晶シリコン膜へリンを
    拡散させることを特徴とする多結晶シリコン膜へのリン
    の拡散方法。
  2. 【請求項2】シリコンウエハ上にSiO2膜を介して形成し
    た多結晶シリコン膜にリンを拡散させる方法において、 低温に保持したリン拡散炉内に、外部で形成したP2O5
    導入し、前記多結晶シリコン膜上に堆積させた後、前記
    導入P2O5を遮断し、前記リン拡散炉を昇温して、前記多
    結晶シリコン膜へリンを拡散させることを特徴とする多
    結晶シリコン膜へのリンの拡散方法。
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