專利名稱：結(jié)晶性硅膜的成膜方法和等離子體cvd裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)晶性硅膜的成膜方法和等離子體CVD裝置。
技術(shù)背景
結(jié)晶性硅是能夠進(jìn)行高濃度摻雜的物質(zhì)，例如在二極管等半導(dǎo)體元件中被廣泛使用。在結(jié)晶性硅膜的制造中，利用熱CVD法、和使用由高頻激勵的等離子體的等離子體CVD 法。熱CVD法和等離子體CVD法，在現(xiàn)狀下，從抑制進(jìn)行成膜的結(jié)晶性硅薄膜的缺陷的觀點(diǎn)出發(fā)，在工業(yè)上作為原料氣體不使用甲硅烷(SiH4)以外的氣體。
在等離子體CVD中為了使成膜速率變大，使作為原料氣體的SiH4的單位時間流量變大是有效的。但是，已知當(dāng)單位時間的SiH4流量變大時，成膜的結(jié)晶性硅膜的結(jié)晶化度下降，膜質(zhì)劣化。因此難以利用等離子體CVD在短時間內(nèi)形成膜質(zhì)優(yōu)良的結(jié)晶性硅膜，在以工業(yè)規(guī)模大量生產(chǎn)結(jié)晶性硅膜上成為瓶頸。發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題
本發(fā)明鑒于上述問題而提出，其目的在于提供一種利用等離子體CVD法以高成膜速率形成質(zhì)優(yōu)的結(jié)晶性硅膜的方法。
用于解決問題的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的結(jié)晶性硅膜的成膜方法是，使用通過具有多個孔的平面天線將微波導(dǎo)入處理容器內(nèi)而生成等離子體的等離子體CVD裝置，利用上述微波激勵包含以式SinH2n+2 (此處，η是2以上的數(shù))表示的硅化合物的成膜氣體而生成等離子體，使用該等離子體進(jìn)行等離子體CVD，由此，在被處理體的表面堆積結(jié)晶性硅膜。
本發(fā)明的結(jié)晶性硅膜的成膜方法優(yōu)選上述硅化合物為乙硅烷或丙硅烷。
本發(fā)明的結(jié)晶性硅膜的成膜方法優(yōu)選上述成膜氣體包含稀有氣體。
本發(fā)明的結(jié)晶性硅膜的成膜方法優(yōu)選上述成膜氣體包含氫氣。
本發(fā)明的結(jié)晶性硅膜的成膜方法優(yōu)選相上述硅化合物的體積流量對上述成膜氣體的全部流量的比率處于0.5% 10%的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的結(jié)晶性硅膜的成膜方法優(yōu)選將上述處理容器內(nèi)的壓力設(shè)定在0. IPa以上10. 6Pa以下的范圍內(nèi)，進(jìn)行上述等離子體CVD。
本發(fā)明的結(jié)晶性硅膜的成膜方法優(yōu)選使處理溫度為250°C以上600°C以下而進(jìn)行處理。
本發(fā)明的結(jié)晶性硅膜的成膜方法優(yōu)選上述微波的功率密度處于被處理體的單位面積為0. 25ff/cm2以上2. 56ff/cm2以下的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的結(jié)晶性硅膜的成膜方法優(yōu)選在上述等離子體CVD的期間，對被埋設(shè)于載置被處理體的載置臺中的電極施加高頻電力，由此，對被處理體施加偏置電壓。
本發(fā)明的等離子體CVD裝置優(yōu)選通過等離子體CVD法在被處理體上形成結(jié)晶性硅膜，該等離子體CVD裝置包括
收納被處理體的上部開口的處理容器；
配置在上述處理容器內(nèi)，載置被處理體的載置臺；
堵塞上述處理容器的上述開口的電介質(zhì)部件；
設(shè)置在上述電介質(zhì)部件的上部，并具有用于將微波導(dǎo)入上述處理容器內(nèi)的多個孔的平面天線；
將成膜氣體導(dǎo)入上述處理容器內(nèi)的氣體導(dǎo)入部；
對上述處理容器內(nèi)進(jìn)行減壓排氣的排氣裝置；和
控制部，其進(jìn)行控制以實(shí)施結(jié)晶性硅膜的成膜方法，該結(jié)晶性硅膜的成膜方法為 利用經(jīng)由上述平面天線導(dǎo)入的上述微波，對經(jīng)由上述氣體導(dǎo)入部導(dǎo)入上述處理容器內(nèi)的包含以式SinH2_(此處，η是2以上的數(shù))表示的硅化合物的成膜氣體進(jìn)行激勵，而生成等離子體，并使用該等離子體進(jìn)行等離子體CVD，在被處理體的表面堆積結(jié)晶性硅膜。該等離子體CVD裝置優(yōu)選還包括埋設(shè)在上述載置臺內(nèi)的電極和與上述電極連接的高頻電源，上述控制部在上述等離子體CVD的期間，通過對上述電極施加高頻電力，對被處理體施加偏置電壓。
發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明的結(jié)晶性硅膜的成膜方法，使用通過具有多個孔的平面天線將微波導(dǎo)入處理容器內(nèi)而生成等離子體的等離子體CVD裝置，使用包含以式SinH2n+2(此處，η是2以上的數(shù))表示的硅化合物的成膜氣體進(jìn)行等離子體CVD，由此能夠不使結(jié)晶化度下降，而以高成膜速率形成結(jié)晶性硅膜。
此外，本發(fā)明方法能夠以600°C以下的低溫形成結(jié)晶性硅膜，因此能夠減少熱預(yù)算并且在成膜過程中不會發(fā)生摻雜劑的擴(kuò)散，因此在半導(dǎo)體制造工藝中是有用的。


圖1是表示適于形成結(jié)晶性硅膜的等離子體CVD裝置的一個例子的概要截面圖。
圖2是表示平面天線的構(gòu)造的圖。
圖3是表示控制部的結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖4是表示多晶硅膜的成膜速率與成膜氣體流量的關(guān)系的圖表。
圖5是表示多晶硅膜的結(jié)晶化度與成膜氣體流量的關(guān)系的圖表。
圖6是表示多晶硅膜的結(jié)晶取向性與成膜氣體流量的關(guān)系的圖表。
圖7是表示多晶硅膜的結(jié)晶取向性與成膜壓力的關(guān)系的圖表。
圖8是表示多晶硅膜的結(jié)晶取向性與成膜溫度的關(guān)系的圖表。
圖9是表示多晶硅膜的結(jié)晶取向性與微波功率的關(guān)系的圖表。
圖10是表示交叉點(diǎn)型的存儲器單元陣列的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖11是圖10的存儲器單元陣列的主要部分截面圖。
圖12是說明二極管的制造工序的圖。
圖13是說明接續(xù)圖12的工序的圖。
圖14是說明接續(xù)圖13的工序的圖。
圖15是說明成為pin 二極管的結(jié)晶性硅膜疊層成膜的狀態(tài)的圖。5
符號說明
1……處理容器、2……載置臺、3……支承部件、5……加熱器、9……高頻電源、 12……排氣管、14……氣體導(dǎo)入部、1 ……第一氣體導(dǎo)入部、14b……第二氣體導(dǎo)入部、 16……搬入搬出口、17……閘閥、18……氣體供給裝置、19a……非活性氣體供給源、 19b……氫氣供給源、19c……硅化合物氣體(Si化合物氣體)供給源、19d……摻雜劑氣體供給源、19e……氫氣供給源、24……排氣裝置、27……微波導(dǎo)入裝置、28……透過板、 29……密封部件、31……平面天線、32……微波發(fā)射孔、37……導(dǎo)波管、39……微波產(chǎn)生裝置、50……控制部、100……等離子體CVD裝置、W……硅晶片(基板)具體實(shí)施方式
以下，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1是示意性地表示在本發(fā)明的結(jié)晶性硅膜的制造方法中能夠利用的等離子體CVD裝置100的概要結(jié)構(gòu)的截面圖。
等離子體CVD裝置100作為RLSA微波等離子體處理裝置而構(gòu)成，該RLSA微波等離子體處理裝置利用具有多個縫隙狀的孔的平面天線特別是RLSA(Radial Line Slot Antenna :徑向縫隙天線)將微波導(dǎo)入處理容器內(nèi)使得產(chǎn)生等離子體，由此能夠產(chǎn)生高密度且低電子溫度的微波激勵等離子體。在等離子體CVD裝置100中，能夠利用等離子體密度為1 X 101° 5X 1012/cm3且具有0. 7 2d的低電子溫度的等離子體進(jìn)行處理。由此，等離子體CVD裝置100能夠應(yīng)用于在各種半導(dǎo)體裝置的制造過程中利用等離子體CVD形成作為結(jié)晶性硅膜的多晶硅膜的成膜處理。
等離子體CVD裝置100的主要結(jié)構(gòu)包括構(gòu)成為氣密的處理容器1 ；向處理容器1 內(nèi)供給氣體的氣體供給裝置18 ；與該氣體供給裝置18連接的氣體導(dǎo)入部14 ；用于對處理容器1內(nèi)進(jìn)行減壓排氣的排氣裝置M ；設(shè)置在處理容器1的上部，向處理容器1內(nèi)導(dǎo)入微波的微波導(dǎo)入裝置27 ；和控制這些等離子體CVD裝置100的各構(gòu)成部件的控制部50。另外， 氣體供給裝置18也可以不包含于等離子體CVD裝置100的構(gòu)成部分，而將外部的氣體供給裝置與氣體導(dǎo)入部14連接而使用。
處理容器1由接地的大致圓筒狀的容器形成，上部開口。另外，處理容器1也可以由方筒形狀的容器形成。處理容器1具有由鋁等材質(zhì)構(gòu)成的底壁Ia和側(cè)壁lb。
在處理容器1的內(nèi)部，設(shè)置有用于水平支承作為被處理體的硅晶體(以下簡稱為 “晶片”)W的載置臺2。載置臺2由熱傳導(dǎo)性高的材質(zhì)例如AlN等陶瓷構(gòu)成。該載置臺2由從排氣室11的底部中央向上方延伸的圓筒狀的支承部件3支承，并固定于底部。支承部件 3例如由AlN等陶瓷構(gòu)成。
此外，在載置臺2設(shè)置有覆蓋其外緣部并引導(dǎo)晶片W的覆蓋環(huán)4。該覆蓋環(huán)4是例如由石英、AlN、Al203、SiN等材質(zhì)構(gòu)成的環(huán)狀部件。從保護(hù)載置臺2的觀點(diǎn)出發(fā)，覆蓋環(huán) 4也可以覆蓋載置臺2的整個表面。
此外，在載置臺2中埋入有作為溫度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的電阻加熱型的加熱器5。該加熱器5通過從加熱器電源fe供電而加熱載置臺2，利用其熱均勻地對作為被處理基板的晶片 W進(jìn)行加熱。
此外，在載置臺2配置有熱電偶(TC)6。利用該熱電偶6進(jìn)行溫度測量，由此能夠?qū)⒕琖的加熱溫度例如控制在從室溫到900°的范圍內(nèi)。6
此外，在載置臺2具有用于支承晶片W并使晶片W升降的晶片支承銷(未圖示)。 各晶片支承銷以能夠相對于載置臺2的表面突出沒入的方式設(shè)置。
此外，在載置臺2的表面?zhèn)嚷裨O(shè)有電極7。該電極7配置在加熱器5與載置臺2的表面之間。在該電極7利用供電線7a經(jīng)由匹配器(M. B. )8連接有用于施加偏壓的高頻電源9。利用高頻電源9對電極7供給高頻電力，能夠?qū)ψ鳛榛宓木琖施加高頻偏壓(RF 偏壓)。即，電極7、供電線7a、匹配器(M.B.)8和高頻電源9構(gòu)成偏壓施加單元。作為電極 7的材質(zhì)，優(yōu)選是具有與作為載置臺2的材質(zhì)的AlN等陶瓷具有同等的熱膨脹系數(shù)的材質(zhì)， 優(yōu)選例如使用鉬、鎢等導(dǎo)電性材料。電極7例如形成為網(wǎng)狀、格子狀、渦旋狀等形狀。電極 7的尺寸優(yōu)選至少與晶片W相同或比晶片W大(例如比晶片W的直徑大1 5mm左右)。
在處理容器1的底壁Ia的大致中央部形成有圓形的開口部10。在底壁Ia設(shè)置有與該開口部10連通、向下方突出的排氣室11。在該排氣室11連接有排氣管12，并經(jīng)由該排氣管12與排氣裝置M連接。
在形成處理容器1的側(cè)壁Ib的上端，配置有具有作為開關(guān)處理容器1的蓋體 (Iid)的功能的環(huán)狀的板13。板13的內(nèi)周下部形成有向內(nèi)側(cè)(處理容器內(nèi)空間)突出的環(huán)狀的支承部13a。
在處理容器1的上方配置有導(dǎo)入處理氣體的氣體導(dǎo)入部14。在板13設(shè)置有具有第一氣體導(dǎo)入孔的第一氣體導(dǎo)入部14a。此外，在處理容器1的側(cè)壁Ib設(shè)置有具有第二氣體導(dǎo)入孔的第二氣體導(dǎo)入部14b。即，第一氣體導(dǎo)入部1 和第二氣體導(dǎo)入部14b構(gòu)成設(shè)置為上下兩層的氣體導(dǎo)入部14。第一氣體導(dǎo)入部1 和第二氣體導(dǎo)入部14b與供給成膜氣體和等離子體激勵用氣體的氣體供給裝置18連接。另外，第一氣體導(dǎo)入部Ha和第二氣體導(dǎo)入部14b可以設(shè)置成噴嘴狀或噴淋頭狀。此外，也可以將第一氣體導(dǎo)入部1 和第二氣體導(dǎo)入部14b設(shè)置于單一的噴淋頭。而且，也可以將第一氣體導(dǎo)入部Ha和第二氣體導(dǎo)入部 14b都設(shè)置于處理容器1的側(cè)壁lb。
此外，在處理容器1的側(cè)壁lb，設(shè)置有用于在等離子體CVD裝置100與和其相鄰的搬送室(未圖示)之間進(jìn)行晶片W的搬入搬出的搬入搬出口 16，和開閉該搬入搬出口 16 的閘閥17。
氣體供給裝置18將成膜氣體等供給到處理容器1內(nèi)。具有非活性氣體供給源 19a、氫氣供給源19b、含有硅化合物的硅化合物氣體(Si化合物氣體)供給源19c、摻雜劑氣體供給源19d和氫氣供給源19e。非活性氣體供給源19a和氫氣供給源19b經(jīng)由氣體管路20a、20b和氣體管路20f與第一氣體導(dǎo)入部Ha連接。此外，硅化合物氣體供給源19c、 摻雜劑氣體供給源19d和氫氣供給源19e經(jīng)由氣體管路20c、20d、20e和氣體管路20g與第二氣體導(dǎo)入部14b連接。另外，氣體供給裝置18，作為上述以外的未圖示的氣體供給源，也可以另外具有例如對處理容器1內(nèi)進(jìn)行清洗的清洗氣體供給源、在置換處理容器1內(nèi)的氣氛時使用的吹掃氣體供給源等。
在本發(fā)明中，作為成膜原料的硅化合物氣體，可以使用在分子中含有的硅原子數(shù)為2以上的硅化合物的氣體，更具體而言，是以化學(xué)式SinH2n+2(此處，η表示2以上的數(shù)) 表示的硅化合物的氣體。優(yōu)選該硅化合物是由硅原子和氫原子構(gòu)成的化合物，例如乙硅烷 (Si2H6)、丙硅烷(Si3H6)等。它們也可以組合使用兩種以上。
此外，作為成膜氣體，除了硅化合物氣體之外，能夠使用非活性氣體、氫氣、摻雜劑氣體等。非活性氣體和氫氣是發(fā)揮使在處理容器1內(nèi)產(chǎn)生的等離子體穩(wěn)定形成的功能的等離子體形成用的氣體，因此優(yōu)選將它們混合在成膜氣體中。
作為非活性氣體例如能夠使用稀有氣體。稀有氣體作為等離子體激勵用氣體具有穩(wěn)定生成等離子體的功能，例如能夠使用Ar氣體、Kr氣體、Xe氣體、He氣體等。
作為摻雜劑氣體，在形成η型多晶硅膜的情況下，能夠舉出PH3、AsH3等，在形成P 型多晶硅膜的情況下，能夠舉出IH6等。
非活性氣體和氫氣從氣體供給裝置18的非活性氣體供給源19a和氫氣供給源19b 經(jīng)由氣體管路20a、20b與氣體管路20f合流之后到達(dá)第一氣體導(dǎo)入部14a，從第一氣體導(dǎo)入部1 導(dǎo)入處理容器1內(nèi)。另一方面，硅化合物氣體、摻雜劑氣體和氫氣從硅化合物氣體供給源19c、摻雜劑氣體供給源19d和氫氣供給源19e分別經(jīng)由氣體管路20c、20d、20e與氣體管路20g合流之后，到達(dá)第二氣體導(dǎo)入部14b，從第二氣體導(dǎo)入部14b導(dǎo)入處理容器1內(nèi)。 與各氣體供給源連接的各個氣體管路20a 20e中，設(shè)置有質(zhì)量流量控制器21a 21e和其前后的開閉閥2 22e。利用這樣的氣體供給裝置18的結(jié)構(gòu)，能夠控制供給的氣體的切換和流量等。另外，Ar等等離子體激勵用的非活性氣體、氫氣是任意的氣體，不必與成膜氣體同時供給。
排氣裝置M具有渦輪分子泵等高速真空泵。如上所述，排氣裝置M經(jīng)由排氣管 12與處理容器1的排氣室11連接。通過使該排氣裝置M動作，處理容器1內(nèi)的氣體均勻地流向排氣室11內(nèi)的空間11a，進(jìn)而從空間Ila經(jīng)由排氣管12向外部排氣。由此，能夠?qū)⑻幚砣萜?內(nèi)高速地減壓至例如0. 133Pa。
接著，說明微波導(dǎo)入裝置27的結(jié)構(gòu)。微波導(dǎo)入裝置27的主要結(jié)構(gòu)包括透過板28、 平面天線31、滯波件33、蓋部件34、導(dǎo)波管37和微波產(chǎn)生裝置39。微波導(dǎo)入裝置27是將微波導(dǎo)入處理容器1內(nèi)而產(chǎn)生等離子體的等離子體生成單元。
作為電介質(zhì)部件的透過板觀，配置于在板13向內(nèi)周側(cè)伸出的支承部13a上。透過板觀由透過微波的電介質(zhì)，例如石英、A1203、A1N等陶瓷構(gòu)成。特別是在用作等離子體CVD 裝置的情況下，優(yōu)選為A1203、A1N等陶瓷。該透過板28與支承部13a之間利用密封部件四氣密地密封。由此，處理容器1的上部的開口借助板13被透過板28堵塞，將處理容器1內(nèi)保持氣密。
平面天線31在透過板觀的上方以與載置臺2相對的方式設(shè)置。平面天線31呈圓板狀。另外，平面天線31的形狀并不限于圓板狀，例如也可以為四角板狀。該平面天線 31卡止于板13的上端。
平面天線31例如由表面鍍金或鍍銀的銅板、鎳板、SUS板或鋁板構(gòu)成。平面天線 31具有發(fā)射微波的多個縫隙狀的微波發(fā)射孔32。微波發(fā)射孔32以規(guī)定的圖案貫通平面天線31而形成。
各個微波發(fā)射孔32，例如如圖2所示，呈細(xì)長的長方形狀(縫隙狀)，相鄰的兩個微波發(fā)射孔構(gòu)成一對。而且，典型的是相鄰的微波發(fā)射孔32配置為“L”字狀。此外，這樣組合成規(guī)定形狀(例如L字狀)而配置的微波發(fā)射孔32進(jìn)一步整體配置為同心圓狀。
微波發(fā)射孔32的長度、排列間隔根據(jù)微波的波長Ug)決定。例如，微波發(fā)射孔 32以間隔為Xg/4 Xg的方式配置。在圖2中，形成為同心圓狀的相鄰的微波發(fā)射孔32 彼此的間隔以Ar表示。另外，微波發(fā)射孔32的形狀可以為圓形狀、圓弧狀等其它形狀。而且，微波發(fā)射孔32的配置方式?jīng)]有特別限定，除了同心圓狀之外，例如能夠配置為螺旋狀、 放射狀等。
在平面天線31的上表面設(shè)置有具有大于真空的介電常數(shù)的例如石英、A1203、A1N、 樹脂等的滯波件33。因?yàn)樵谡婵罩形⒉ǖ牟ㄩL變長，因此該滯波件33具有使微波的波長變短而調(diào)整等離子體的功能。
另外，平面天線31與透過板28之間，以及滯波件33與平面天線31之間，可以分別接觸或分別離開，但優(yōu)選接觸。
在板13的上部以覆蓋這些平面天線31和滯波件33的方式設(shè)置有蓋部件34。蓋部件34例如由鋁、不銹鋼等金屬材料形成。板13和蓋部件34利用密封部件35被密封。在蓋部件34的內(nèi)部形成有冷卻水流路34a。通過使冷卻水在該冷卻水流路3 流通，能夠冷卻蓋部件34、滯波件33、平面天線31和透過板28。另外蓋部件34接地。
在蓋部件34的上壁(頂部)的中央形成有開口部36，導(dǎo)波管37與該開口部36連接。在導(dǎo)波管37的另一端側(cè)，經(jīng)由匹配電路38連接有產(chǎn)生微波的微波產(chǎn)生裝置39。
導(dǎo)波管37包括從上述蓋部件34的開口部36向上方延伸的截面為圓形的同軸導(dǎo)波管37a ；和與該同軸導(dǎo)波管38a的上端部連接的沿水平方向延伸的矩形導(dǎo)波管37b。
在同軸導(dǎo)波管37a的中心延伸設(shè)置有內(nèi)導(dǎo)體41。該內(nèi)導(dǎo)體41在其下端部與平面天線31的中心連接固定。利用這樣的構(gòu)造，微波經(jīng)由同軸導(dǎo)波管37a的內(nèi)導(dǎo)體41向平面天線31放射狀地高效且均勻地傳播。
利用以上結(jié)構(gòu)的微波導(dǎo)入裝置27，使在微波產(chǎn)生裝置39產(chǎn)生的微波經(jīng)由導(dǎo)波管 37向平面天線31傳播，進(jìn)而經(jīng)由透過板觀導(dǎo)入處理容器1內(nèi)。另外，作為微波的頻率，優(yōu)選使用例如2. 45GHz，此外也能夠使用8. 35GHz、1. 98GHz等。
等離子體CVD裝置100的各構(gòu)成部件與控制部50連接而被控制?？刂撇?0具有計(jì)算機(jī)，例如如圖3所示，包括具有CPU的處理控制器51 ；與該處理控制器51連接的用戶接口 52和存儲部53。處理控制器51是在等離子體CVD裝置100中，總體控制例如與溫度、 壓力、氣體流量、微波功率、偏壓施加用的高頻功率等處理?xiàng)l件有關(guān)系的各構(gòu)成部件(例如加熱器電源5a、高頻電源9、氣體供給裝置18、排氣裝置M、微波產(chǎn)生裝置39等)的控制單兀。
用戶接口 52包括工序管理者進(jìn)行用于管理等離子體CVD裝置100的命令的輸入操作等的鍵盤、和將等離子體CVD裝置100的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)可視化顯示的顯示器等。此外，在存儲部53保存有記錄用于通過處理控制器51的控制實(shí)現(xiàn)在等離子體CVD裝置100中執(zhí)行的各種處理的控制程序(軟件)、處理?xiàng)l件數(shù)據(jù)等的方案。
根據(jù)需要，依據(jù)來自用戶接口 52的指示等將任意的方案從存儲部53中讀出并由處理控制器51執(zhí)行，由此，在處理控制器51的控制下在等離子體CVD裝置100的處理容器 1內(nèi)進(jìn)行期望的處理。此外，上述控制程序、處理?xiàng)l件數(shù)據(jù)等方案也能夠?yàn)榇鎯τ诶秒娔X能夠讀取的存儲介質(zhì)例如CD-ROM、硬盤、軟盤、閃存器、DVD、藍(lán)光盤等的狀態(tài)，或者從其它裝置例如經(jīng)由專用管路路隨時傳送而實(shí)時利用。
接著，說明使用RLSA方式的等離子體CVD裝置100的利用等離子體CVD法的多晶硅膜的堆積處理。首先，打開閘閥17，從搬入搬出口 16將晶片W搬入處理容器1內(nèi)，并載置在載置臺2上。接著，對處理容器1內(nèi)進(jìn)行減壓排氣，并且從氣體供給裝置18的非活性氣體供給源19a、氫氣供給源19b、硅化合物氣體供給源19c和氫氣供給源19e以及根據(jù)需要從摻雜劑氣體供給源19d，將硅化合物氣體、氫氣和/或非活性氣體以及根據(jù)需要的摻雜劑氣體以規(guī)定的流量分別經(jīng)由第一氣體導(dǎo)入部1 和第二氣體導(dǎo)入部14b導(dǎo)入處理容器1 內(nèi)。然后，將處理容器1內(nèi)調(diào)節(jié)為規(guī)定的壓力。
此處，說明等離子體CVD中的優(yōu)選條件(處理壓力、成膜氣體流量、成膜溫度)。處理壓力優(yōu)選為0. IPa以上且10. 6Pa以下的范圍內(nèi)，更優(yōu)選為0. IPa以上且5. 3Pa以下的范圍內(nèi)。處理壓力越低越好，上述范圍的下限值0.1 是基于裝置上的限制(高真空度的極限)設(shè)定的值。當(dāng)處理壓力超過10. 6 時，多晶硅的結(jié)晶化度下降，膜質(zhì)下降，因此不優(yōu)選。
此外，相對于合計(jì)的成膜氣體流量，優(yōu)選使Si2H6氣體等硅化合物氣體的體積流量比率(硅化合物氣體/合計(jì)成膜氣體流量的百分比)為0.5%以上且10%以下，更優(yōu)選為以上且5%以下，進(jìn)一步優(yōu)選1. 25%以上且2. 5%以下。如果硅化合物氣體的體積流量比率為0.5%以下，則不能夠得到充分的成膜速率，如果超過10%，則膜質(zhì)下降。另外，硅化合物氣體的流量能夠在lmL/min (sccm)以上且100mL/min (sccm)以下、優(yōu)選lmL/min (sccm) 以上且20mL/min(SCCm)以下的范圍內(nèi)以成為上述流量比率的方式設(shè)定。
此外，成膜氣體中優(yōu)選包含硅化合物氣體和氫。氫具有通過進(jìn)入結(jié)晶性硅膜中的凹陷中而修復(fù)結(jié)晶的作用。由此，通過在成膜氣體中添加氫，能夠提高結(jié)晶性硅膜的結(jié)晶性，提高膜質(zhì)。相對于合計(jì)的成膜氣體流量，氫氣的體積流量比率(H2氣體/合計(jì)成膜氣體流量的百分比)優(yōu)選為90%以上且99. 5%以下，更優(yōu)選為95%以上且99%以下，進(jìn)一步優(yōu)選為97. 5%以上且98. 75%以下。另外，氫氣的流量能夠在10mL/min(sccm)以上且IOOOmL/ min(sccm)以下、優(yōu)選50mL/min (sccm)以上且500mL/min (sccm)以下的范圍內(nèi)以成為上述流量比率的方式設(shè)定。
此外，為了穩(wěn)定地產(chǎn)生等離子體，優(yōu)選與上述硅化合物氣體和氫氣一起，添加Ar 等非活性氣體。在該情況下，相對于合計(jì)的成膜氣體流量，優(yōu)選使非活性氣體的體積流量比率(例如Ar氣體/合計(jì)成膜氣體流量的百分比)為以上且10%以下，更優(yōu)選為以上且5%以下。另外，非活性氣體的流量能夠在2mL/min(sccm)以上且100mL/min (sccm)以下、優(yōu)選2mL/min(SCCm)以上且50mL/min (sccm)以下的范圍內(nèi)以成為上述流量比率的方式設(shè)定。
另外，在代替氫氣使用非活性氣體的情況下(即使用硅化合物和非活性氣體的情況下)，非活性氣體的流量優(yōu)選例如為100mL/min(sccm)以上且1500mL/min (sccm)以下。
此外，關(guān)于等離子體CVD處理的溫度，為了減少熱預(yù)算(thermalbudget)、抑制雜質(zhì)的擴(kuò)散，優(yōu)選將載置臺2的溫度設(shè)定在600°C以下、優(yōu)選為250°C以上且600°C以下、更優(yōu)選為250°C以上且500°C以下的范圍內(nèi)。
接著，將由微波產(chǎn)生裝置39產(chǎn)生的規(guī)定頻率例如2. 45GHz的微波經(jīng)由匹配電路38 導(dǎo)向?qū)Рü?7。被導(dǎo)入導(dǎo)波管37的微波依次通過矩形導(dǎo)波管37b和同軸導(dǎo)波管37a，經(jīng)由內(nèi)導(dǎo)體41供給至等平面天線31。即，微波在同軸導(dǎo)波管37a內(nèi)向平面天線31傳播。然后，微波從平面天線31的縫隙狀的微波發(fā)射孔32經(jīng)由透過板觀向處理容器1內(nèi)的晶片W 的上方空間發(fā)射。此時，微波功率越大，能夠使得形成的多晶硅膜的結(jié)晶化度越高，因此微波功率優(yōu)選的是，作為晶片W的單位面積的功率密度為0. 25 2. 56ff/cm2的范圍內(nèi)，微波功率能夠從例如500W 5000W的范圍內(nèi)根據(jù)目的以成為上述范圍內(nèi)的功率密度的方式選10擇。另外，作為微波功率的上限的5000W是根據(jù)裝置上的限制而設(shè)定的值，有可能供給超過上述上限值的微波功率。
利用從平面天線31經(jīng)由透過板28發(fā)射至處理容器1內(nèi)的微波，在處理容器1內(nèi)形成電磁場，硅化合物氣體、氫氣和/或非活性氣體以及摻雜劑氣體(添加的情況下)分別被等離子體化。并且，使等離子體中原料氣體的離解高效進(jìn)行，通過SipHq、SiHtl(此處p、q 是任意的數(shù)。以下同樣)等活性種的反應(yīng)，堆積多晶硅膜。
此外，根據(jù)需要，在進(jìn)行等離子體CVD處理的期間，能夠從高頻電源9對載置臺2 的電極7供給規(guī)定頻率和較大的高頻電力，將高頻偏置電壓(以下簡稱為“RF偏壓”)施加于晶片W。在等離子體CVD裝置100中，能夠?qū)⒌入x子體的電子溫度維持得較低，因此即使施加RF偏壓，對于膜的損傷也較少。此外，施加適當(dāng)范圍內(nèi)的RF偏壓，能夠?qū)⒌入x子體中的Si離子向晶片W引入，因此能夠提高結(jié)晶化度、提高多晶硅膜的膜質(zhì)，并且能夠進(jìn)一步提高成膜速率。在該情況下，從高頻電源9供給的高頻電力的頻率優(yōu)選例如在400kHz以上且 60MHz以下的范圍內(nèi)，更優(yōu)選為450kHz以上且20MHz以下的范圍內(nèi)。高頻電力在以晶片W 的單位面積的功率密度表達(dá)時，優(yōu)選在例如0. 012ff/cm2以上且0. 585ff/cm2以下的范圍內(nèi)施加，更優(yōu)選在0.012W/cm2以上且0.234W/cm2以下的范圍內(nèi)施加。此外，高頻電力能夠從優(yōu)選的IOW以上且500W以下的范圍內(nèi)、更優(yōu)選的IOW以上且200W以下的范圍內(nèi)，以成為上述功率密度的方式向電極7供給而施加RF偏壓。
以上的條件在控制部50的存儲部53中作為方案被保存。處理控制器51讀出該方案，向等離子體CVD裝置100的各構(gòu)成部例如氣體供給裝置18、排氣裝置M、微波產(chǎn)生裝置39、加熱器電源5a、高頻電源9等送出控制信號，由此實(shí)現(xiàn)期望條件下的等離子體CVD處理。
接著，舉出作為本發(fā)明的基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明等離子體CVD處理的優(yōu)選條件。
實(shí)驗(yàn)1
作為硅化合物使用SiH4、Si2H6和Si3H8氣體，作為等離子體生成用的氣體使用Ar氣體，在等離子體CVD裝置100中以下述等離子體CVD條件改變成膜氣體的流量而形成多晶硅膜。在各條件下形成的多晶硅膜的成膜速率在圖4中表示，結(jié)晶化度在圖5中表示。另外，結(jié)晶化度是將由拉曼分光分析得到的光譜的結(jié)晶性硅(520nm)的信號強(qiáng)度除以非晶形硅GSOnm)的信號強(qiáng)度而得的值。
(等離子體CVD條件)
處理溫度(載置臺)400°C
微波功率3000W
處理壓力5· 3Pa
硅烷類氣體流量5、10或 20mL/min (sccm)
Ar氣體流量與上述硅烷類氣體的合計(jì)為800mL/min(SCCm)。
根據(jù)圖4，成膜速率在任一個硅化合物時均顯示與流量的增加成比例變高的傾向， 但在使用Si3H8的情況下最高，接著是Si2H6, SiH4為最低。相對于SiH4的成膜速率，Si3H8為約3倍，Si2H6為約2倍，顯示了顯著的改善。此外，根據(jù)圖5，結(jié)晶化度在任一個硅化合物時均顯現(xiàn)隨著流量的增加而有一定程度減少的傾向，但是硅化合物的種類的不同帶來的差異較小，為大致同等的膜質(zhì)。
此外，圖6表示對作為硅化合物使用SiHJP Si2H6在上述條件下形成的多晶硅膜進(jìn)行XRD分析，以膜厚將結(jié)晶方位<220>的信號強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化而得的比率(％ )與SiH4和Si2H6 的流量的關(guān)系。另外，圖6中也一并表示了成膜速率(縱軸的右側(cè)刻度)。圖6的XRD分析中也顯示與拉曼分光分析同樣的傾向，結(jié)晶方位<220>的比率在SiH4和Si2H6的情況下均顯現(xiàn)隨著流量的增加而有一定程度減少的傾向，但由硅化合物帶來的差異較小，為大致同等的膜質(zhì)。但是，關(guān)于成膜速率，與SiH4相比，Si2H6顯示約2倍的顯著的改善。
根據(jù)以上結(jié)果能夠確認(rèn)在硅化合物氣體的體積流量比率(硅化合物氣體/合計(jì)成膜氣體流量的百分比)為1.25%以上且2.5%以下的范圍內(nèi)時，與SiH4相比較，使用 Si2H6和Si3H8的優(yōu)異性很顯著。由此，作為硅化合物，使用在分子中含有的硅原子的數(shù)量為 2以上的硅化合物，由此能夠不使多晶硅膜的結(jié)晶化度下降，而大幅提高成膜速率。
實(shí)驗(yàn)2:
作為硅化合物使用Si2H6，作為等離子體生成用的氣體使用H2氣體，在等離子體 CVD裝置100中以下述等離子體CVD條件形成多晶硅膜。對在各條件下形成的多晶硅膜進(jìn)行XRD分析，以用膜厚使結(jié)晶方位<220>的信號強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化而得的比率(％ )為基礎(chǔ)，研究成膜壓力、溫度和微波功率對膜質(zhì)的影響。結(jié)果表示于圖7 圖9。
(等離子體CVD條件)
處理溫度(載置臺)設(shè)定為250°C、400°C或500°C。
微波功率設(shè)定為2000W、3000W或4000W。
處理壓力設(shè)定為4Pa、5. 3Pa或10. 6Pa。
硅烷類氣體流量設(shè)定為5mL/min (sccm)。
H2氣體流量設(shè)定為與上述硅烷類氣體的合計(jì)為400mL/min(SCCm)。
圖7表示成膜壓力的影響，壓力為4 到5. 3Pa時，結(jié)晶方位<220>的比率幾乎沒有變化，但在10. 6 時大幅下降。由此，成膜壓力例如優(yōu)選為10. 6Pa以下，更優(yōu)選為5. 3Pa 以下。
圖8表示成膜溫度(載置臺的溫度)的影響，在250°C、40(TC、50(rC下結(jié)晶方位 <220>的比率幾乎沒有變化，不能看到有意義的差異。但是，當(dāng)成膜溫度超過500°C時，結(jié)晶方位<220>的比率顯現(xiàn)下降的傾向，因此成膜溫度的上限優(yōu)選為600°C左右。由此，成膜溫度優(yōu)選為250°C以上且600°C以下，更優(yōu)選為250°C到500°C。
圖9表示微波功率的影響，能夠確認(rèn)，通過使微波功率為2000W增大到4000W，結(jié)晶方位<220>的比率增加。根據(jù)圖9可知，微波功率越大，越能夠提高結(jié)晶化度。由此，微波功率可以考慮優(yōu)選例如為2000W以上5000W以下，更優(yōu)選為3000W以上5000W以下。
(向非揮發(fā)性存儲器裝置的制造的應(yīng)用例)
接著，參照圖10 圖15，說明將本實(shí)施方式的結(jié)晶性硅膜的制造方法應(yīng)用于非揮發(fā)性存儲器裝置的制造過程的例子。圖10示意性地表示交叉點(diǎn)型的存儲器單元陣列200 的結(jié)構(gòu)。存儲器單元陣列200在多根(圖示3根)位線BL和多根(圖示3根)字線WL的交點(diǎn)配置有存儲器單元MC。
圖11是圖10的存儲器單元陣列200的主要部分截面圖，表示存儲器單元MC的詳細(xì)構(gòu)造。存儲器單元MC采用二極管201和存儲元件211串聯(lián)連接的電路構(gòu)造。二極管201 為Pin 二極管，具有ρ型硅層202、本征硅層203和η型硅層204。
作為存儲元件211，在為電阻變化存儲器(RRAM)的情況下，能夠舉出具有通過電應(yīng)カ而使電阻變化的材料(例如I^CaMn等過渡金屬氧化物)的元件，在為相變存儲器 (PRAM)的情況下，能夠舉出具有通過電流引起的熱應(yīng)カ而產(chǎn)生相變的材料(例如GekTe 等)的元件，在為強(qiáng)電介質(zhì)存儲器(FeRAM)的情況下，能夠舉出具有強(qiáng)電介質(zhì)材料(例如鋯鈦酸鉛、鍶鉍鉭復(fù)合氧化物等)的元件，在為磁存儲器(MRAM)的情況下，能夠舉出具有例如 FeXo.NiXoFe.NiFe等過渡金屬磁性元素、它們的合金等形成的強(qiáng)磁性層和非磁性層和上述強(qiáng)磁性層疊層而成的TMR(強(qiáng)磁性隧道磁阻效果)元件構(gòu)造等的元件。本發(fā)明的多晶硅膜的制造方法能夠在制造交叉點(diǎn)型的存儲器單元陣列200的ニ 極管201時應(yīng)用。如圖12和圖13所示，在未圖示的層間絕緣膜上形成的下部電極層220(成為字線WL的部分)之上，利用等離子體CVD裝置100，使用包括在分子中含有的硅原子數(shù)為 2以上的硅化合物的成膜氣體，形成多晶硅層20 (成為ρ型硅層202的部分)。在該エ序中，一邊從摻雜劑氣體供給源19d供給等摻雜劑氣體，一邊進(jìn)行等離子體CVD。接著，如圖13和圖14所示，在多晶硅層20 之上，利用等離子體CVD裝置100，使用包括在分子中含有的硅原子數(shù)為2以上的硅化合物的成膜氣體，形成多晶硅層203a (成為本征硅層203的部分)。接著，如圖14和圖15所示，在多晶硅層203a之上，利用等離子體CVD裝置100，使用包括在分子中含有的硅原子數(shù)為2以上的硅化合物的成膜氣體，形成多晶硅層20 (成為η型硅層204的部分)。在該エ序中，一邊從摻雜劑氣體供給源19d供給PH3等摻雜劑氣體，一邊進(jìn)行等離子體CVD。通過以上處理，能夠依次形成作為ρ型硅層202的多晶硅層20 、作為本征硅層 203的多晶硅層203a和作為η型硅層204的多晶硅層2(Ma。之后，在多晶硅層20 上，形成成為存儲元件211的部分的材料膜，進(jìn)行蝕刻，由此能夠形成圖11所示的疊層構(gòu)造的存儲器單元MC。通過應(yīng)用本發(fā)明方法，能夠以高成膜速率形成結(jié)晶化度良好的多晶硅層20加、 203a和20如。此外，在本發(fā)明方法中，使用利用平面天線將微波導(dǎo)入處理容器內(nèi)而生成等離子體的方式的等離子體CVD裝置100，從而以600°C以下的低溫形成多晶硅層20加、2033 和20 ，因此，在成膜過程中不會產(chǎn)生摻雜劑的擴(kuò)散。此外，通常，通過采用圖10所示的存儲器單元陣列200的疊層構(gòu)造，以達(dá)到集成度的提高。因此，由ρ型硅層202、本征硅層203 和η型硅層204構(gòu)成的ニ極管201 (pin ニ極管)需要形成得盡可能地薄。但是，在通過熱 CVD法形成多晶硅層20加、2033和20 的情況下，難以實(shí)現(xiàn)薄膜化，并且，由于高溫導(dǎo)致發(fā)生摻雜劑的擴(kuò)散。從該觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用能夠?qū)⒍嗑Ч鑼?0加、2033和20 形成為薄膜、并且能夠在比較低溫的條件下進(jìn)行成膜從而不發(fā)生摻雜劑的擴(kuò)散的本發(fā)明方法，是極為有利的。以上敘述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限定于上述實(shí)施方式，能夠進(jìn)行各種變形。例如，在上述實(shí)施方式中，舉出在交叉點(diǎn)型非揮發(fā)性存儲器裝置的制造ェ序中的應(yīng)用例進(jìn)行了說明，但并不限定于此，能夠廣泛地應(yīng)用于需要以高速率形成良質(zhì)的結(jié)晶性硅薄膜的半導(dǎo)體處理中。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)晶性硅膜的成膜方法，其特征在于使用通過具有多個孔的平面天線將微波導(dǎo)入處理容器內(nèi)而生成等離子體的等離子體 CVD裝置，利用所述微波激勵包含以式SinH2n+2表示的硅化合物的成膜氣體而生成等離子體，使用該等離子體進(jìn)行等離子體CVD，由此，在被處理體的表面堆積結(jié)晶性硅膜，其中，η 是2以上的數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶性硅膜的成膜方法，其特征在于 所述硅化合物為乙硅烷或丙硅烷。
3.如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶性硅膜的成膜方法，其特征在于 所述成膜氣體包含稀有氣體。
4.如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶性硅膜的成膜方法，其特征在于 所述成膜氣體包含氫氣。
5.如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶性硅膜的成膜方法，其特征在于所述硅化合物的體積流量相對所述成膜氣體的全部流量的比率處于0. 5% 10%的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶性硅膜的成膜方法，其特征在于將所述處理容器內(nèi)的壓力設(shè)定在0. IPa以上且10. 6Pa以下的范圍內(nèi)，進(jìn)行所述等離子體 CVD。
7.如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶性硅膜的成膜方法，其特征在于 使處理溫度為250°C以上且600°C以下而進(jìn)行處理。
8.如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶性硅膜的成膜方法，其特征在于 所述微波的功率密度處于被處理體的每單位面積為0. 25ff/cm2以上且2. 56ff/cm2以下的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶性硅膜的成膜方法，其特征在于在所述等離子體CVD的期間，對被埋設(shè)于載置被處理體的載置臺中的電極施加高頻電力，由此，對被處理體施加偏置電壓。
10.一種等離子體CVD裝置，其通過等離子體CVD法在被處理體上形成結(jié)晶性硅膜，該等離子體CVD裝置的特征在于，包括收納被處理體的上部開口的處理容器； 配置在所述處理容器內(nèi)，載置被處理體的載置臺； 堵塞所述處理容器的所述開口的電介質(zhì)部件；設(shè)置在所述電介質(zhì)部件的上部，并具有用于將微波導(dǎo)入所述處理容器內(nèi)的多個孔的平面天線；將成膜氣體導(dǎo)入所述處理容器內(nèi)的氣體導(dǎo)入部； 對所述處理容器內(nèi)進(jìn)行減壓排氣的排氣裝置；和控制部，其進(jìn)行控制以實(shí)施結(jié)晶性硅膜的成膜方法，該成膜方法為利用經(jīng)由所述平面天線導(dǎo)入的所述微波，對經(jīng)由所述氣體導(dǎo)入部導(dǎo)入到所述處理容器內(nèi)的包含以式SinH2n+2 表示的硅化合物的成膜氣體進(jìn)行激勵，而生成等離子體，并使用該等離子體進(jìn)行等離子體 CVD，在被處理體的表面堆積結(jié)晶性硅膜，其中，η是2以上的數(shù)。
11.如權(quán)利要求10所述的等離子體CVD裝置，其特征在于還包括埋設(shè)于所述載置臺內(nèi)的電極；和與所述電極連接的高頻電源，所述控制部在所述等離子體CVD的期間，通過對所述電極施加高頻電力，而對被處理體施加偏置電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供通過等離子體CVD法以高成膜速率形成質(zhì)優(yōu)的結(jié)晶性硅膜的方法。使用通過具有多個孔的平面天線將微波導(dǎo)入處理容器內(nèi)而生成等離子體的等離子體CVD裝置，利用上述微波激勵包含以式SinH2n+2表示的硅化合物的成膜氣體而生成等離子體，使用該等離子體進(jìn)行等離子體CVD，由此，在被處理體的表面堆積結(jié)晶性硅膜，其中，n是2以上的數(shù)。
文檔編號C23C16/24GK102549717SQ20108004387
公開日2012年7月4日 申請日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者中西敏雄, 本多稔, 片山大介, 鴻野真之 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會社