非晶硅的结晶化方法、结晶化硅膜的成膜方法、半导体装置的制造方法和成膜装置的制造方法
【专利说明】非晶硅的结晶化方法、结晶化硅膜的成膜方法、半导体装置的制造方法和成膜装置
[0001]相关申请文献
[0002]本申请基于2013年12月11日申请的日本专利申请第2013-255894号的优先权权益，将该日本申请的全部内容作为参照文献援引至此。
技术领域
[0003]本发明涉及非晶硅的结晶化方法、结晶化硅膜的成膜方法、半导体装置的制造方法和成膜装置。
【背景技术】
[0004]平板显示器(FPD)的像素驱动用薄膜晶体管(TFT)、不挥发性半导体存储装置的存储单元晶体管等的沟道使用了使非晶硅发生结晶化而成的结晶化硅膜。
[0005]使非晶硅发生结晶化的原因是为了提高载体的迀移率。载体的迀移率按照非晶硅—多晶硅一单晶硅的顺序提高。因此，成膜时使非晶的硅膜发生结晶化后，例如将其用作晶体管的沟道。已知有多种方法用于使这种非晶硅发生结晶化。
[0006]在第一方法中，非晶硅在绝缘膜上的沉积分两个阶段进行，使第一阶段的沉积温度低于第二阶段的沉积温度。另外，在第一阶段中掺杂氢。由此，能够抑制晶核的核密度的增加、能够制成粒径大的SOI基板。
[0007]另外，在第二方法中，在基板上层叠形成掺杂有磷(P)的非晶硅膜和未掺杂的非晶硅膜，其后，以600°C的温度进行热处理。该第二方法中利用若增加磷的掺杂量则粒径变大这一性质。首先，使掺杂有磷的非晶硅膜的非晶硅发生结晶化，以发生了结晶化的非晶硅作为晶核而使未掺杂的非晶硅膜的非晶硅发生结晶化。由此获得粒径大的多晶硅膜。
【发明内容】
_8] 发明要解决的问题
[0009]然而，在上述第一方法中，在非晶硅的沉积时，需要切换沉积温度。因此，存在工序中需要升温时间和降温时间而生产率降低这一情况。
[0010]另外，在上述第二方法中，掺杂磷(P)。磷是V族元素，将IV族元素制成N型半导体。为了增大粒径而增加磷的掺杂量时，所得到的多晶硅膜会成为N型。将进行了 N型化的多晶硅膜用于晶体管的沟道时，所形成的晶体管仅会成为P沟道型晶体管。想要形成N沟道型晶体管时，必须将进行了 N型化的多晶硅膜转变为P型。为了将扩散有大量磷的N型多晶硅膜转变成P型，需要导入大量的III族元素。但是，从生产率的观点出发，导入大量的III族元素也不实用。当然，导入大量的III族元素时也增大了诱发晶体缺陷的可能性。
[0011]本发明提供能够获得粒径大的单晶区域而不会降低生产率的非晶硅的结晶化方法和结晶化硅膜的成膜方法、以及使用了该成膜方法的半导体装置的制造方法及用于执行该成膜方法的成膜装置。
[0012]本发明的第一方式所述的非晶硅的结晶化方法是使非晶硅发生结晶化的非晶硅的结晶化方法，其中，在晶体生长慢的第一非晶硅膜上层叠晶体生长快于前述第一非晶硅膜的第二非晶硅膜，对所层叠的前述第一非晶硅膜、第二非晶硅膜实施结晶化处理，使至少前述第二非晶硅膜的非晶硅发生结晶化。
[0013]本发明的第二方式所述的结晶化硅膜的成膜方法是使非晶硅发生了结晶化的结晶化硅膜的成膜方法，具备如下工序:(I)向被处理体的被处理面上供给硅原料气体、以及含有抑制非晶硅的结晶化进行的杂质的气体的工序；(2)向前述被处理面上仅供给前述硅原料气体而不供给含有前述杂质的气体的工序；以及，(3)进行使成膜在前述被处理面上的非晶硅膜的非晶硅发生结晶化的结晶化处理的工序。
[0014]本发明的第三方式所述的结晶化硅膜的成膜方法是使非晶硅发生了结晶化的结晶化硅膜的成膜方法，具备如下工序:(I)向被处理体的被处理面上供给包含有机硅化合物的硅原料气体的工序；(2)向前述被处理面上供给不含有机硅化合物的其它硅原料气体的工序；以及，(3)进行使成膜在前述被处理面上的非晶硅膜的非晶硅发生结晶化的结晶化处理的工序。
[0015]本发明的第四方式所述的半导体装置的制造方法使用了使非晶硅发生结晶化而成的结晶化硅膜，前述结晶化硅膜的成膜使用第二方式或第三方式所述的结晶化硅膜的成膜方法。
[0016]本发明的第五方式所述的成膜装置具备:用于容纳被处理体的处理室；用于向前述处理室供给处理气体的处理气体供给机构；用于对容纳于前述处理室的前述被处理体进行加热的加热机构；用于对前述处理室进行排气的排气机构；以及，用于控制前述处理气体供给机构、前述加热机构以及前述排气机构的控制装置，在前述被处理体的被处理面上成膜结晶化硅膜时，前述控制装置控制前述处理气体供给机构、前述加热机构以及前述排气机构以便执行第二方式或第三方式的结晶化硅膜的成膜方法。
【附图说明】
[0017]附图示出了作为本说明书的一部分而组入的本申请的实施方式，与上述的一般说明和后述的【具体实施方式】一起说明本申请的概念。
[0018]图1是示出本发明的第一实施方式所述的结晶化硅膜的成膜方法的一例的流程图。
[0019]图2A?图2C是示出本发明的第一实施方式所述的结晶化硅膜的成膜方法的一例的主要工序的剖面图。
[0020]图3是示出结晶化退火时间与结晶率的关系的图。
[0021]图4A是试样I的剖面图。
[0022]图4B是试样2的剖面图。
[0023]图5A是示意性地示出试样I中的晶核发生的剖面图。
[0024]图5B是示意性地示出试样I中的结晶化状态的剖面图。
[0025]图6A是示意性地示出第一实施方式中的晶核发生的剖面图。
[0026]图6B是示意性地示出第一实施方式中的结晶化状态的剖面图。
[0027]图7是示出结晶率的碳浓度依赖性的图。
[0028]图8是示出第一变形例中的结晶化退火时间与结晶率的关系的图。
[0029]图9A?图9C是示出第一变形例中的结晶化状态的剖面图。
[0030]图10是示出第二变形例中的结晶化退火时间与结晶率的关系的图。
[0031]图11是简略示出本发明的第二实施方式所述的成膜装置的一例的纵向剖面图。
【具体实施方式】
[0032]参照附图来说明本发明的几个实施方式。需要说明的是，对于所有附图而言，共通的部分赋予共通的参照符号。在下述的详细说明中，为了能够充分地理解本申请而给予了多个具体详情。然而，本领域技术人员即使没有这样的详细说明也能够实现本申请是显而易见的。在其它例子中，为了避免难以区分各种实施方式，未对公知的方法、步骤、体系、构成要素进行详示。
[0033](第一实施方式)
[0034]<结晶化硅膜的成膜方法、非晶硅的结晶化方法>
[0035]图1是示出本发明的第一实施方式所述的结晶化硅膜的成膜方法的一例的流程图，图2A?图2C是示出该成膜方法的主要工序的剖面图。
[0036]首先，作为被处理体，准备例如硅基板。在硅基板的被处理面上形成有绝缘膜例如硅氧化物膜I (参照图2A)。结晶化硅膜(后述)成膜在硅氧化物膜I上。
[0037]接着，将被处理面具有硅氧化物膜I的硅基板搬入成膜装置的处理室。并且，如图1中的步骤SI所示，向硅氧化物膜I的被处理面上供给硅原料气体、以及含有抑制结晶化进行的杂质的气体。由此，如图2A所示，在硅氧化物膜I上形成掺杂有杂质的非晶硅膜2。作为抑制结晶化进行的杂质的例子，可列举出:
[0038]碳(C)、
[0039]氧(O)、
[0040]氮(N)等。
[0041]在本例中，作为抑制结晶化进行的杂质而使用了碳。作为含有碳的气体使用了乙烯(C2H4)气体，作为硅原料气体使用了甲硅烷(SiH4)气体。
[0042]步骤SI中的处理条件的一例为:
[0043]甲硅烷流量:500sccm
[0044]乙稀流量:50sccm
[0045]处理时间:160sec
[0046]处理温度:530 O
[0047]处理压力:53.2Pa (0.4Torr)
[0048](本说明书中，将ITorr定义为133Pa。)。
[0049]由此，在硅氧化物膜I上形成膜厚为2nm左右且掺杂有碳的非晶硅膜2(以下，有时也称为碳掺杂非晶硅膜2)。另外，本