专利名称：结晶性硅膜的成膜方法和等离子体cvd装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及结晶性硅膜的成膜方法和等离子体CVD装置。
技术背景
结晶性硅是能够进行高浓度掺杂的物质，例如在二极管等半导体元件中被广泛使用。在结晶性硅膜的制造中，利用热CVD法、和使用由高频激励的等离子体的等离子体CVD 法。热CVD法和等离子体CVD法，在现状下，从抑制进行成膜的结晶性硅薄膜的缺陷的观点出发，在工业上作为原料气体不使用甲硅烷(SiH4)以外的气体。
在等离子体CVD中为了使成膜速率变大，使作为原料气体的SiH4的单位时间流量变大是有效的。但是，已知当单位时间的SiH4流量变大时，成膜的结晶性硅膜的结晶化度下降，膜质劣化。因此难以利用等离子体CVD在短时间内形成膜质优良的结晶性硅膜，在以工业规模大量生产结晶性硅膜上成为瓶颈。发明内容
发明要解决的问题
本发明鉴于上述问题而提出，其目的在于提供一种利用等离子体CVD法以高成膜速率形成质优的结晶性硅膜的方法。
用于解决问题的方法
技术领域：
本发明的结晶性硅膜的成膜方法是，使用通过具有多个孔的平面天线将微波导入处理容器内而生成等离子体的等离子体CVD装置，利用上述微波激励包含以式SinH2n+2 (此处，η是2以上的数)表示的硅化合物的成膜气体而生成等离子体，使用该等离子体进行等离子体CVD，由此，在被处理体的表面堆积结晶性硅膜。
本发明的结晶性硅膜的成膜方法优选上述硅化合物为乙硅烷或丙硅烷。
本发明的结晶性硅膜的成膜方法优选上述成膜气体包含稀有气体。
本发明的结晶性硅膜的成膜方法优选上述成膜气体包含氢气。
本发明的结晶性硅膜的成膜方法优选相上述硅化合物的体积流量对上述成膜气体的全部流量的比率处于0.5% 10%的范围内。
本发明的结晶性硅膜的成膜方法优选将上述处理容器内的压力设定在0. IPa以上10. 6Pa以下的范围内，进行上述等离子体CVD。
本发明的结晶性硅膜的成膜方法优选使处理温度为250°C以上600°C以下而进行处理。
本发明的结晶性硅膜的成膜方法优选上述微波的功率密度处于被处理体的单位面积为0. 25ff/cm2以上2. 56ff/cm2以下的范围内。
本发明的结晶性硅膜的成膜方法优选在上述等离子体CVD的期间，对被埋设于载置被处理体的载置台中的电极施加高频电力，由此，对被处理体施加偏置电压。
本发明的等离子体CVD装置优选通过等离子体CVD法在被处理体上形成结晶性硅膜，该等离子体CVD装置包括
收纳被处理体的上部开口的处理容器；
配置在上述处理容器内，载置被处理体的载置台；
堵塞上述处理容器的上述开口的电介质部件；
设置在上述电介质部件的上部，并具有用于将微波导入上述处理容器内的多个孔的平面天线；
将成膜气体导入上述处理容器内的气体导入部；
对上述处理容器内进行减压排气的排气装置；和
控制部，其进行控制以实施结晶性硅膜的成膜方法，该结晶性硅膜的成膜方法为 利用经由上述平面天线导入的上述微波，对经由上述气体导入部导入上述处理容器内的包含以式SinH2_(此处，η是2以上的数)表示的硅化合物的成膜气体进行激励，而生成等离子体，并使用该等离子体进行等离子体CVD，在被处理体的表面堆积结晶性硅膜。该等离子体CVD装置优选还包括埋设在上述载置台内的电极和与上述电极连接的高频电源，上述控制部在上述等离子体CVD的期间，通过对上述电极施加高频电力，对被处理体施加偏置电压。
发明效果
根据本发明的结晶性硅膜的成膜方法，使用通过具有多个孔的平面天线将微波导入处理容器内而生成等离子体的等离子体CVD装置，使用包含以式SinH2n+2(此处，η是2以上的数)表示的硅化合物的成膜气体进行等离子体CVD，由此能够不使结晶化度下降，而以高成膜速率形成结晶性硅膜。
此外，本发明方法能够以600°C以下的低温形成结晶性硅膜，因此能够减少热预算并且在成膜过程中不会发生掺杂剂的扩散，因此在半导体制造工艺中是有用的。
图1是表示适于形成结晶性硅膜的等离子体CVD装置的一个例子的概要截面图。
图2是表示平面天线的构造的图。
图3是表示控制部的结构的说明图。
图4是表示多晶硅膜的成膜速率与成膜气体流量的关系的图表。
图5是表示多晶硅膜的结晶化度与成膜气体流量的关系的图表。
图6是表示多晶硅膜的结晶取向性与成膜气体流量的关系的图表。
图7是表示多晶硅膜的结晶取向性与成膜压力的关系的图表。
图8是表示多晶硅膜的结晶取向性与成膜温度的关系的图表。
图9是表示多晶硅膜的结晶取向性与微波功率的关系的图表。
图10是表示交叉点型的存储器单元阵列的结构的示意图。
图11是图10的存储器单元阵列的主要部分截面图。
图12是说明二极管的制造工序的图。
图13是说明接续图12的工序的图。
图14是说明接续图13的工序的图。
图15是说明成为pin 二极管的结晶性硅膜叠层成膜的状态的图。5
符号说明
1……处理容器、2……载置台、3……支承部件、5……加热器、9……高频电源、 12……排气管、14……气体导入部、1 ……第一气体导入部、14b……第二气体导入部、 16……搬入搬出口、17……闸阀、18……气体供给装置、19a……非活性气体供给源、 19b……氢气供给源、19c……硅化合物气体(Si化合物气体)供给源、19d……掺杂剂气体供给源、19e……氢气供给源、24……排气装置、27……微波导入装置、28……透过板、 29……密封部件、31……平面天线、32……微波发射孔、37……导波管、39……微波产生装置、50……控制部、100……等离子体CVD装置、W……硅晶片(基板)具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。图1是示意性地表示在本发明的结晶性硅膜的制造方法中能够利用的等离子体CVD装置100的概要结构的截面图。
等离子体CVD装置100作为RLSA微波等离子体处理装置而构成，该RLSA微波等离子体处理装置利用具有多个缝隙状的孔的平面天线特别是RLSA(Radial Line Slot Antenna :径向缝隙天线)将微波导入处理容器内使得产生等离子体，由此能够产生高密度且低电子温度的微波激励等离子体。在等离子体CVD装置100中，能够利用等离子体密度为1 X 101° 5X 1012/cm3且具有0. 7 2d的低电子温度的等离子体进行处理。由此，等离子体CVD装置100能够应用于在各种半导体装置的制造过程中利用等离子体CVD形成作为结晶性硅膜的多晶硅膜的成膜处理。
等离子体CVD装置100的主要结构包括构成为气密的处理容器1 ；向处理容器1 内供给气体的气体供给装置18 ；与该气体供给装置18连接的气体导入部14 ；用于对处理容器1内进行减压排气的排气装置M ；设置在处理容器1的上部，向处理容器1内导入微波的微波导入装置27 ；和控制这些等离子体CVD装置100的各构成部件的控制部50。另外， 气体供给装置18也可以不包含于等离子体CVD装置100的构成部分，而将外部的气体供给装置与气体导入部14连接而使用。
处理容器1由接地的大致圆筒状的容器形成，上部开口。另外，处理容器1也可以由方筒形状的容器形成。处理容器1具有由铝等材质构成的底壁Ia和侧壁lb。
在处理容器1的内部，设置有用于水平支承作为被处理体的硅晶体(以下简称为 “晶片”)W的载置台2。载置台2由热传导性高的材质例如AlN等陶瓷构成。该载置台2由从排气室11的底部中央向上方延伸的圆筒状的支承部件3支承，并固定于底部。支承部件 3例如由AlN等陶瓷构成。
此外，在载置台2设置有覆盖其外缘部并引导晶片W的覆盖环4。该覆盖环4是例如由石英、AlN、Al203、SiN等材质构成的环状部件。从保护载置台2的观点出发，覆盖环 4也可以覆盖载置台2的整个表面。
此外，在载置台2中埋入有作为温度调节机构的电阻加热型的加热器5。该加热器5通过从加热器电源fe供电而加热载置台2，利用其热均勻地对作为被处理基板的晶片 W进行加热。
此外，在载置台2配置有热电偶(TC)6。利用该热电偶6进行温度测量，由此能够将晶片W的加热温度例如控制在从室温到900°的范围内。6
此外，在载置台2具有用于支承晶片W并使晶片W升降的晶片支承销(未图示)。 各晶片支承销以能够相对于载置台2的表面突出没入的方式设置。
此外，在载置台2的表面侧埋设有电极7。该电极7配置在加热器5与载置台2的表面之间。在该电极7利用供电线7a经由匹配器(M. B. )8连接有用于施加偏压的高频电源9。利用高频电源9对电极7供给高频电力，能够对作为基板的晶片W施加高频偏压(RF 偏压)。即，电极7、供电线7a、匹配器(M.B.)8和高频电源9构成偏压施加单元。作为电极 7的材质，优选是具有与作为载置台2的材质的AlN等陶瓷具有同等的热膨胀系数的材质， 优选例如使用钼、钨等导电性材料。电极7例如形成为网状、格子状、涡旋状等形状。电极 7的尺寸优选至少与晶片W相同或比晶片W大(例如比晶片W的直径大1 5mm左右)。
在处理容器1的底壁Ia的大致中央部形成有圆形的开口部10。在底壁Ia设置有与该开口部10连通、向下方突出的排气室11。在该排气室11连接有排气管12，并经由该排气管12与排气装置M连接。
在形成处理容器1的侧壁Ib的上端，配置有具有作为开关处理容器1的盖体 (Iid)的功能的环状的板13。板13的内周下部形成有向内侧(处理容器内空间)突出的环状的支承部13a。
在处理容器1的上方配置有导入处理气体的气体导入部14。在板13设置有具有第一气体导入孔的第一气体导入部14a。此外，在处理容器1的侧壁Ib设置有具有第二气体导入孔的第二气体导入部14b。即，第一气体导入部1 和第二气体导入部14b构成设置为上下两层的气体导入部14。第一气体导入部1 和第二气体导入部14b与供给成膜气体和等离子体激励用气体的气体供给装置18连接。另外，第一气体导入部Ha和第二气体导入部14b可以设置成喷嘴状或喷淋头状。此外，也可以将第一气体导入部1 和第二气体导入部14b设置于单一的喷淋头。而且，也可以将第一气体导入部Ha和第二气体导入部 14b都设置于处理容器1的侧壁lb。
此外，在处理容器1的侧壁lb，设置有用于在等离子体CVD装置100与和其相邻的搬送室(未图示)之间进行晶片W的搬入搬出的搬入搬出口 16，和开闭该搬入搬出口 16 的闸阀17。
气体供给装置18将成膜气体等供给到处理容器1内。具有非活性气体供给源 19a、氢气供给源19b、含有硅化合物的硅化合物气体(Si化合物气体)供给源19c、掺杂剂气体供给源19d和氢气供给源19e。非活性气体供给源19a和氢气供给源19b经由气体管路20a、20b和气体管路20f与第一气体导入部Ha连接。此外，硅化合物气体供给源19c、 掺杂剂气体供给源19d和氢气供给源19e经由气体管路20c、20d、20e和气体管路20g与第二气体导入部14b连接。另外，气体供给装置18，作为上述以外的未图示的气体供给源，也可以另外具有例如对处理容器1内进行清洗的清洗气体供给源、在置换处理容器1内的气氛时使用的吹扫气体供给源等。
在本发明中，作为成膜原料的硅化合物气体，可以使用在分子中含有的硅原子数为2以上的硅化合物的气体，更具体而言，是以化学式SinH2n+2(此处，η表示2以上的数) 表示的硅化合物的气体。优选该硅化合物是由硅原子和氢原子构成的化合物，例如乙硅烷 (Si2H6)、丙硅烷(Si3H6)等。它们也可以组合使用两种以上。
此外，作为成膜气体，除了硅化合物气体之外，能够使用非活性气体、氢气、掺杂剂气体等。非活性气体和氢气是发挥使在处理容器1内产生的等离子体稳定形成的功能的等离子体形成用的气体，因此优选将它们混合在成膜气体中。
作为非活性气体例如能够使用稀有气体。稀有气体作为等离子体激励用气体具有稳定生成等离子体的功能，例如能够使用Ar气体、Kr气体、Xe气体、He气体等。
作为掺杂剂气体，在形成η型多晶硅膜的情况下，能够举出PH3、AsH3等，在形成P 型多晶硅膜的情况下，能够举出IH6等。
非活性气体和氢气从气体供给装置18的非活性气体供给源19a和氢气供给源19b 经由气体管路20a、20b与气体管路20f合流之后到达第一气体导入部14a，从第一气体导入部1 导入处理容器1内。另一方面，硅化合物气体、掺杂剂气体和氢气从硅化合物气体供给源19c、掺杂剂气体供给源19d和氢气供给源19e分别经由气体管路20c、20d、20e与气体管路20g合流之后，到达第二气体导入部14b，从第二气体导入部14b导入处理容器1内。 与各气体供给源连接的各个气体管路20a 20e中，设置有质量流量控制器21a 21e和其前后的开闭阀2 22e。利用这样的气体供给装置18的结构，能够控制供给的气体的切换和流量等。另外，Ar等等离子体激励用的非活性气体、氢气是任意的气体，不必与成膜气体同时供给。
排气装置M具有涡轮分子泵等高速真空泵。如上所述，排气装置M经由排气管 12与处理容器1的排气室11连接。通过使该排气装置M动作，处理容器1内的气体均勻地流向排气室11内的空间11a，进而从空间Ila经由排气管12向外部排气。由此，能够将处理容器1内高速地减压至例如0. 133Pa。
接着，说明微波导入装置27的结构。微波导入装置27的主要结构包括透过板28、 平面天线31、滞波件33、盖部件34、导波管37和微波产生装置39。微波导入装置27是将微波导入处理容器1内而产生等离子体的等离子体生成单元。
作为电介质部件的透过板观，配置于在板13向内周侧伸出的支承部13a上。透过板观由透过微波的电介质，例如石英、A1203、A1N等陶瓷构成。特别是在用作等离子体CVD 装置的情况下，优选为A1203、A1N等陶瓷。该透过板28与支承部13a之间利用密封部件四气密地密封。由此，处理容器1的上部的开口借助板13被透过板28堵塞，将处理容器1内保持气密。
平面天线31在透过板观的上方以与载置台2相对的方式设置。平面天线31呈圆板状。另外，平面天线31的形状并不限于圆板状，例如也可以为四角板状。该平面天线 31卡止于板13的上端。
平面天线31例如由表面镀金或镀银的铜板、镍板、SUS板或铝板构成。平面天线 31具有发射微波的多个缝隙状的微波发射孔32。微波发射孔32以规定的图案贯通平面天线31而形成。
各个微波发射孔32，例如如图2所示，呈细长的长方形状(缝隙状)，相邻的两个微波发射孔构成一对。而且，典型的是相邻的微波发射孔32配置为“L”字状。此外，这样组合成规定形状(例如L字状)而配置的微波发射孔32进一步整体配置为同心圆状。
微波发射孔32的长度、排列间隔根据微波的波长Ug)决定。例如，微波发射孔 32以间隔为Xg/4 Xg的方式配置。在图2中，形成为同心圆状的相邻的微波发射孔32 彼此的间隔以Ar表示。另外，微波发射孔32的形状可以为圆形状、圆弧状等其它形状。而且，微波发射孔32的配置方式没有特别限定，除了同心圆状之外，例如能够配置为螺旋状、 放射状等。
在平面天线31的上表面设置有具有大于真空的介电常数的例如石英、A1203、A1N、 树脂等的滞波件33。因为在真空中微波的波长变长，因此该滞波件33具有使微波的波长变短而调整等离子体的功能。
另外，平面天线31与透过板28之间，以及滞波件33与平面天线31之间，可以分别接触或分别离开，但优选接触。
在板13的上部以覆盖这些平面天线31和滞波件33的方式设置有盖部件34。盖部件34例如由铝、不锈钢等金属材料形成。板13和盖部件34利用密封部件35被密封。在盖部件34的内部形成有冷却水流路34a。通过使冷却水在该冷却水流路3 流通，能够冷却盖部件34、滞波件33、平面天线31和透过板28。另外盖部件34接地。
在盖部件34的上壁(顶部)的中央形成有开口部36，导波管37与该开口部36连接。在导波管37的另一端侧，经由匹配电路38连接有产生微波的微波产生装置39。
导波管37包括从上述盖部件34的开口部36向上方延伸的截面为圆形的同轴导波管37a ；和与该同轴导波管38a的上端部连接的沿水平方向延伸的矩形导波管37b。
在同轴导波管37a的中心延伸设置有内导体41。该内导体41在其下端部与平面天线31的中心连接固定。利用这样的构造，微波经由同轴导波管37a的内导体41向平面天线31放射状地高效且均勻地传播。
利用以上结构的微波导入装置27，使在微波产生装置39产生的微波经由导波管 37向平面天线31传播，进而经由透过板观导入处理容器1内。另外，作为微波的频率，优选使用例如2. 45GHz，此外也能够使用8. 35GHz、1. 98GHz等。
等离子体CVD装置100的各构成部件与控制部50连接而被控制。控制部50具有计算机，例如如图3所示，包括具有CPU的处理控制器51 ；与该处理控制器51连接的用户接口 52和存储部53。处理控制器51是在等离子体CVD装置100中，总体控制例如与温度、 压力、气体流量、微波功率、偏压施加用的高频功率等处理条件有关系的各构成部件(例如加热器电源5a、高频电源9、气体供给装置18、排气装置M、微波产生装置39等)的控制单兀。
用户接口 52包括工序管理者进行用于管理等离子体CVD装置100的命令的输入操作等的键盘、和将等离子体CVD装置100的运转状态可视化显示的显示器等。此外，在存储部53保存有记录用于通过处理控制器51的控制实现在等离子体CVD装置100中执行的各种处理的控制程序(软件)、处理条件数据等的方案。
根据需要，依据来自用户接口 52的指示等将任意的方案从存储部53中读出并由处理控制器51执行，由此，在处理控制器51的控制下在等离子体CVD装置100的处理容器 1内进行期望的处理。此外，上述控制程序、处理条件数据等方案也能够为存储于利用电脑能够读取的存储介质例如CD-ROM、硬盘、软盘、闪存器、DVD、蓝光盘等的状态，或者从其它装置例如经由专用管路路随时传送而实时利用。
接着，说明使用RLSA方式的等离子体CVD装置100的利用等离子体CVD法的多晶硅膜的堆积处理。首先，打开闸阀17，从搬入搬出口 16将晶片W搬入处理容器1内，并载置在载置台2上。接着，对处理容器1内进行减压排气，并且从气体供给装置18的非活性气体供给源19a、氢气供给源19b、硅化合物气体供给源19c和氢气供给源19e以及根据需要从掺杂剂气体供给源19d，将硅化合物气体、氢气和/或非活性气体以及根据需要的掺杂剂气体以规定的流量分别经由第一气体导入部1 和第二气体导入部14b导入处理容器1 内。然后，将处理容器1内调节为规定的压力。
此处，说明等离子体CVD中的优选条件(处理压力、成膜气体流量、成膜温度)。处理压力优选为0. IPa以上且10. 6Pa以下的范围内，更优选为0. IPa以上且5. 3Pa以下的范围内。处理压力越低越好，上述范围的下限值0.1 是基于装置上的限制(高真空度的极限)设定的值。当处理压力超过10. 6 时，多晶硅的结晶化度下降，膜质下降，因此不优选。
此外，相对于合计的成膜气体流量，优选使Si2H6气体等硅化合物气体的体积流量比率(硅化合物气体/合计成膜气体流量的百分比)为0.5%以上且10%以下，更优选为以上且5%以下，进一步优选1. 25%以上且2. 5%以下。如果硅化合物气体的体积流量比率为0.5%以下，则不能够得到充分的成膜速率，如果超过10%，则膜质下降。另外，硅化合物气体的流量能够在lmL/min (sccm)以上且100mL/min (sccm)以下、优选lmL/min (sccm) 以上且20mL/min(SCCm)以下的范围内以成为上述流量比率的方式设定。
此外，成膜气体中优选包含硅化合物气体和氢。氢具有通过进入结晶性硅膜中的凹陷中而修复结晶的作用。由此，通过在成膜气体中添加氢，能够提高结晶性硅膜的结晶性，提高膜质。相对于合计的成膜气体流量，氢气的体积流量比率(H2气体/合计成膜气体流量的百分比)优选为90%以上且99. 5%以下，更优选为95%以上且99%以下，进一步优选为97. 5%以上且98. 75%以下。另外，氢气的流量能够在10mL/min(sccm)以上且IOOOmL/ min(sccm)以下、优选50mL/min (sccm)以上且500mL/min (sccm)以下的范围内以成为上述流量比率的方式设定。
此外，为了稳定地产生等离子体，优选与上述硅化合物气体和氢气一起，添加Ar 等非活性气体。在该情况下，相对于合计的成膜气体流量，优选使非活性气体的体积流量比率(例如Ar气体/合计成膜气体流量的百分比)为以上且10%以下，更优选为以上且5%以下。另外，非活性气体的流量能够在2mL/min(sccm)以上且100mL/min (sccm)以下、优选2mL/min(SCCm)以上且50mL/min (sccm)以下的范围内以成为上述流量比率的方式设定。
另外，在代替氢气使用非活性气体的情况下(即使用硅化合物和非活性气体的情况下)，非活性气体的流量优选例如为100mL/min(sccm)以上且1500mL/min (sccm)以下。
此外，关于等离子体CVD处理的温度，为了减少热预算(thermalbudget)、抑制杂质的扩散，优选将载置台2的温度设定在600°C以下、优选为250°C以上且600°C以下、更优选为250°C以上且500°C以下的范围内。
接着，将由微波产生装置39产生的规定频率例如2. 45GHz的微波经由匹配电路38 导向导波管37。被导入导波管37的微波依次通过矩形导波管37b和同轴导波管37a，经由内导体41供给至等平面天线31。即，微波在同轴导波管37a内向平面天线31传播。然后，微波从平面天线31的缝隙状的微波发射孔32经由透过板观向处理容器1内的晶片W 的上方空间发射。此时，微波功率越大，能够使得形成的多晶硅膜的结晶化度越高，因此微波功率优选的是，作为晶片W的单位面积的功率密度为0. 25 2. 56ff/cm2的范围内，微波功率能够从例如500W 5000W的范围内根据目的以成为上述范围内的功率密度的方式选10择。另外，作为微波功率的上限的5000W是根据装置上的限制而设定的值，有可能供给超过上述上限值的微波功率。
利用从平面天线31经由透过板28发射至处理容器1内的微波，在处理容器1内形成电磁场，硅化合物气体、氢气和/或非活性气体以及掺杂剂气体(添加的情况下)分别被等离子体化。并且，使等离子体中原料气体的离解高效进行，通过SipHq、SiHtl(此处p、q 是任意的数。以下同样)等活性种的反应，堆积多晶硅膜。
此外，根据需要，在进行等离子体CVD处理的期间，能够从高频电源9对载置台2 的电极7供给规定频率和较大的高频电力，将高频偏置电压(以下简称为“RF偏压”)施加于晶片W。在等离子体CVD装置100中，能够将等离子体的电子温度维持得较低，因此即使施加RF偏压，对于膜的损伤也较少。此外，施加适当范围内的RF偏压，能够将等离子体中的Si离子向晶片W引入，因此能够提高结晶化度、提高多晶硅膜的膜质，并且能够进一步提高成膜速率。在该情况下，从高频电源9供给的高频电力的频率优选例如在400kHz以上且 60MHz以下的范围内，更优选为450kHz以上且20MHz以下的范围内。高频电力在以晶片W 的单位面积的功率密度表达时，优选在例如0. 012ff/cm2以上且0. 585ff/cm2以下的范围内施加，更优选在0.012W/cm2以上且0.234W/cm2以下的范围内施加。此外，高频电力能够从优选的IOW以上且500W以下的范围内、更优选的IOW以上且200W以下的范围内，以成为上述功率密度的方式向电极7供给而施加RF偏压。
以上的条件在控制部50的存储部53中作为方案被保存。处理控制器51读出该方案，向等离子体CVD装置100的各构成部例如气体供给装置18、排气装置M、微波产生装置39、加热器电源5a、高频电源9等送出控制信号，由此实现期望条件下的等离子体CVD处理。
接着，举出作为本发明的基础的实验数据，说明等离子体CVD处理的优选条件。
实验1
作为硅化合物使用SiH4、Si2H6和Si3H8气体，作为等离子体生成用的气体使用Ar气体，在等离子体CVD装置100中以下述等离子体CVD条件改变成膜气体的流量而形成多晶硅膜。在各条件下形成的多晶硅膜的成膜速率在图4中表示，结晶化度在图5中表示。另外，结晶化度是将由拉曼分光分析得到的光谱的结晶性硅(520nm)的信号强度除以非晶形硅GSOnm)的信号强度而得的值。
(等离子体CVD条件)
处理温度(载置台)400°C
微波功率3000W
处理压力5· 3Pa
硅烷类气体流量5、10或 20mL/min (sccm)
Ar气体流量与上述硅烷类气体的合计为800mL/min(SCCm)。
根据图4，成膜速率在任一个硅化合物时均显示与流量的增加成比例变高的倾向， 但在使用Si3H8的情况下最高，接着是Si2H6, SiH4为最低。相对于SiH4的成膜速率，Si3H8为约3倍，Si2H6为约2倍，显示了显著的改善。此外，根据图5，结晶化度在任一个硅化合物时均显现随着流量的增加而有一定程度减少的倾向，但是硅化合物的种类的不同带来的差异较小，为大致同等的膜质。
此外，图6表示对作为硅化合物使用SiHJP Si2H6在上述条件下形成的多晶硅膜进行XRD分析，以膜厚将结晶方位<220>的信号强度标准化而得的比率(％ )与SiH4和Si2H6 的流量的关系。另外，图6中也一并表示了成膜速率(纵轴的右侧刻度)。图6的XRD分析中也显示与拉曼分光分析同样的倾向，结晶方位<220>的比率在SiH4和Si2H6的情况下均显现随着流量的增加而有一定程度减少的倾向，但由硅化合物带来的差异较小，为大致同等的膜质。但是，关于成膜速率，与SiH4相比，Si2H6显示约2倍的显著的改善。
根据以上结果能够确认在硅化合物气体的体积流量比率(硅化合物气体/合计成膜气体流量的百分比)为1.25%以上且2.5%以下的范围内时，与SiH4相比较，使用 Si2H6和Si3H8的优异性很显著。由此，作为硅化合物，使用在分子中含有的硅原子的数量为 2以上的硅化合物，由此能够不使多晶硅膜的结晶化度下降，而大幅提高成膜速率。
实验2:
作为硅化合物使用Si2H6，作为等离子体生成用的气体使用H2气体，在等离子体 CVD装置100中以下述等离子体CVD条件形成多晶硅膜。对在各条件下形成的多晶硅膜进行XRD分析，以用膜厚使结晶方位<220>的信号强度标准化而得的比率(％ )为基础，研究成膜压力、温度和微波功率对膜质的影响。结果表示于图7 图9。
(等离子体CVD条件)
处理温度(载置台)设定为250°C、400°C或500°C。
微波功率设定为2000W、3000W或4000W。
处理压力设定为4Pa、5. 3Pa或10. 6Pa。
硅烷类气体流量设定为5mL/min (sccm)。
H2气体流量设定为与上述硅烷类气体的合计为400mL/min(SCCm)。
图7表示成膜压力的影响，压力为4 到5. 3Pa时，结晶方位<220>的比率几乎没有变化，但在10. 6 时大幅下降。由此，成膜压力例如优选为10. 6Pa以下，更优选为5. 3Pa 以下。
图8表示成膜温度(载置台的温度)的影响，在250°C、40(TC、50(rC下结晶方位 <220>的比率几乎没有变化，不能看到有意义的差异。但是，当成膜温度超过500°C时，结晶方位<220>的比率显现下降的倾向，因此成膜温度的上限优选为600°C左右。由此，成膜温度优选为250°C以上且600°C以下，更优选为250°C到500°C。
图9表示微波功率的影响，能够确认，通过使微波功率为2000W增大到4000W，结晶方位<220>的比率增加。根据图9可知，微波功率越大，越能够提高结晶化度。由此，微波功率可以考虑优选例如为2000W以上5000W以下，更优选为3000W以上5000W以下。
(向非挥发性存储器装置的制造的应用例)
接着，参照图10 图15，说明将本实施方式的结晶性硅膜的制造方法应用于非挥发性存储器装置的制造过程的例子。图10示意性地表示交叉点型的存储器单元阵列200 的结构。存储器单元阵列200在多根(图示3根)位线BL和多根(图示3根)字线WL的交点配置有存储器单元MC。
图11是图10的存储器单元阵列200的主要部分截面图，表示存储器单元MC的详细构造。存储器单元MC采用二极管201和存储元件211串联连接的电路构造。二极管201 为Pin 二极管，具有ρ型硅层202、本征硅层203和η型硅层204。
作为存储元件211，在为电阻变化存储器(RRAM)的情况下，能够举出具有通过电应カ而使电阻变化的材料(例如I^CaMn等过渡金属氧化物)的元件，在为相变存储器 (PRAM)的情况下，能够举出具有通过电流引起的热应カ而产生相变的材料(例如GekTe 等)的元件，在为强电介质存储器(FeRAM)的情况下，能够举出具有强电介质材料(例如锆钛酸铅、锶铋钽复合氧化物等)的元件，在为磁存储器(MRAM)的情况下，能够举出具有例如 FeXo.NiXoFe.NiFe等过渡金属磁性元素、它们的合金等形成的强磁性层和非磁性层和上述强磁性层叠层而成的TMR(强磁性隧道磁阻效果)元件构造等的元件。本发明的多晶硅膜的制造方法能够在制造交叉点型的存储器单元阵列200的ニ 极管201时应用。如图12和图13所示，在未图示的层间绝缘膜上形成的下部电极层220(成为字线WL的部分)之上，利用等离子体CVD装置100，使用包括在分子中含有的硅原子数为 2以上的硅化合物的成膜气体，形成多晶硅层20 (成为ρ型硅层202的部分)。在该エ序中，一边从掺杂剂气体供给源19d供给等掺杂剂气体，一边进行等离子体CVD。接着，如图13和图14所示，在多晶硅层20 之上，利用等离子体CVD装置100，使用包括在分子中含有的硅原子数为2以上的硅化合物的成膜气体，形成多晶硅层203a (成为本征硅层203的部分)。接着，如图14和图15所示，在多晶硅层203a之上，利用等离子体CVD装置100，使用包括在分子中含有的硅原子数为2以上的硅化合物的成膜气体，形成多晶硅层20 (成为η型硅层204的部分)。在该エ序中，一边从掺杂剂气体供给源19d供给PH3等掺杂剂气体，一边进行等离子体CVD。通过以上处理，能够依次形成作为ρ型硅层202的多晶硅层20 、作为本征硅层 203的多晶硅层203a和作为η型硅层204的多晶硅层2(Ma。之后，在多晶硅层20 上，形成成为存储元件211的部分的材料膜，进行蚀刻，由此能够形成图11所示的叠层构造的存储器单元MC。通过应用本发明方法，能够以高成膜速率形成结晶化度良好的多晶硅层20加、 203a和20如。此外，在本发明方法中，使用利用平面天线将微波导入处理容器内而生成等离子体的方式的等离子体CVD装置100，从而以600°C以下的低温形成多晶硅层20加、2033 和20 ，因此，在成膜过程中不会产生掺杂剂的扩散。此外，通常，通过采用图10所示的存储器单元阵列200的叠层构造，以达到集成度的提高。因此，由ρ型硅层202、本征硅层203 和η型硅层204构成的ニ极管201 (pin ニ极管)需要形成得尽可能地薄。但是，在通过热 CVD法形成多晶硅层20加、2033和20 的情况下，难以实现薄膜化，并且，由于高温导致发生掺杂剂的扩散。从该观点出发，应用能够将多晶硅层20加、2033和20 形成为薄膜、并且能够在比较低温的条件下进行成膜从而不发生掺杂剂的扩散的本发明方法，是极为有利的。以上叙述了本发明的实施方式，但本发明并不限定于上述实施方式，能够进行各种变形。例如，在上述实施方式中，举出在交叉点型非挥发性存储器装置的制造ェ序中的应用例进行了说明，但并不限定于此，能够广泛地应用于需要以高速率形成良质的结晶性硅薄膜的半导体处理中。
权利要求
1.一种结晶性硅膜的成膜方法，其特征在于使用通过具有多个孔的平面天线将微波导入处理容器内而生成等离子体的等离子体 CVD装置，利用所述微波激励包含以式SinH2n+2表示的硅化合物的成膜气体而生成等离子体，使用该等离子体进行等离子体CVD，由此，在被处理体的表面堆积结晶性硅膜，其中，η 是2以上的数。
2.如权利要求1所述的结晶性硅膜的成膜方法，其特征在于 所述硅化合物为乙硅烷或丙硅烷。
3.如权利要求1所述的结晶性硅膜的成膜方法，其特征在于 所述成膜气体包含稀有气体。
4.如权利要求1所述的结晶性硅膜的成膜方法，其特征在于 所述成膜气体包含氢气。
5.如权利要求1所述的结晶性硅膜的成膜方法，其特征在于所述硅化合物的体积流量相对所述成膜气体的全部流量的比率处于0. 5% 10%的范围内。
6.如权利要求1所述的结晶性硅膜的成膜方法，其特征在于将所述处理容器内的压力设定在0. IPa以上且10. 6Pa以下的范围内，进行所述等离子体 CVD。
7.如权利要求1所述的结晶性硅膜的成膜方法，其特征在于 使处理温度为250°C以上且600°C以下而进行处理。
8.如权利要求1所述的结晶性硅膜的成膜方法，其特征在于 所述微波的功率密度处于被处理体的每单位面积为0. 25ff/cm2以上且2. 56ff/cm2以下的范围内。
9.如权利要求1所述的结晶性硅膜的成膜方法，其特征在于在所述等离子体CVD的期间，对被埋设于载置被处理体的载置台中的电极施加高频电力，由此，对被处理体施加偏置电压。
10.一种等离子体CVD装置，其通过等离子体CVD法在被处理体上形成结晶性硅膜，该等离子体CVD装置的特征在于，包括收纳被处理体的上部开口的处理容器； 配置在所述处理容器内，载置被处理体的载置台； 堵塞所述处理容器的所述开口的电介质部件；设置在所述电介质部件的上部，并具有用于将微波导入所述处理容器内的多个孔的平面天线；将成膜气体导入所述处理容器内的气体导入部； 对所述处理容器内进行减压排气的排气装置；和控制部，其进行控制以实施结晶性硅膜的成膜方法，该成膜方法为利用经由所述平面天线导入的所述微波，对经由所述气体导入部导入到所述处理容器内的包含以式SinH2n+2 表示的硅化合物的成膜气体进行激励，而生成等离子体，并使用该等离子体进行等离子体 CVD，在被处理体的表面堆积结晶性硅膜，其中，η是2以上的数。
11.如权利要求10所述的等离子体CVD装置，其特征在于还包括埋设于所述载置台内的电极；和与所述电极连接的高频电源，所述控制部在所述等离子体CVD的期间，通过对所述电极施加高频电力，而对被处理体施加偏置电压。
全文摘要
本发明提供通过等离子体CVD法以高成膜速率形成质优的结晶性硅膜的方法。使用通过具有多个孔的平面天线将微波导入处理容器内而生成等离子体的等离子体CVD装置，利用上述微波激励包含以式SinH2n+2表示的硅化合物的成膜气体而生成等离子体，使用该等离子体进行等离子体CVD，由此，在被处理体的表面堆积结晶性硅膜，其中，n是2以上的数。
文档编号C23C16/24GK102549717SQ20108004387
公开日2012年7月4日 申请日期2010年9月28日 优先权日2009年9月30日
发明者中西敏雄, 本多稔, 片山大介, 鸿野真之 申请人:东京毅力科创株式会社