JPH02202017A - シリコン単結晶薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、シリコン単結晶薄膜の製造方法に関し、特に
、大きな電子移動度を有するシリコン単結晶薄膜の製造
方法に関する。

（従来の技術） 従来、バイポーラトランジスタ、バイポーラＩＣ，ＭＯ
Ｓ、ＬＳ　Ｉメモリー等の半導体の製造においては、熱
ＣＶＤ法によるエピタキシャル成長が一般に実施されて
いる０例えばシリコンのエピタキシャル成長の場合、基
板としてシリコン単結晶基板を使用し、ｌ、０００−１
．１５０°Ｃという高温において水素ガスで希釈された
シランを熱分解する。

しかしながら、最近、バイポーラＩＣの製造において微
細化への要求が高まっており、不純物（ドーパント）濃
度の高い基板の上に、０．５〜１、　５μｍと薄く且つ
不純物濃度の低いエピタキシャル層を形成する必要が生
じている。それにもかかわらず、従来の熱ＣＶＤ法によ
ってドーパントを含む基板上に高温でシリコン薄膜を形
成せしめた場合には、基板に含有されている不純物がシ
リコン薄膜中に拡散してエピタキシャル層と基板の界面
に厚さ１．５〜２．５ｐｍもの遷移領域が生じるため、
とても前記ＩＣの微細化に適応することができない（「
日経マイクロデバイスＪ１９８５年、１０月号、第８０
員）、そこで近年、低温でシリコン単結晶薄膜を形成さ
せる技術の開発が望まれていた。

係る要望に沿って研究が進められた結果、最近、容量結
合型ＲＦプラズマＣＶＤ装置を用いて水素で希釈された
５ｉＨａとＳｉＨ，Ｆ、の混合系のグロー放電分解を行
うことにより、約２５０°Ｃ程度の低温で（１００）シ
リコン単結晶基板上に表面状態の良好なシリコン単結晶
を成長させることができることが見出された（ジャパニ
ーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、
２６巻、Ｌ９５１−Ｌ９５３　（１９Ｂ？））。

一方、特開昭６３−２２２０９６号にはシラン、フロロ
シラン、及び（シラン＋フロロシラン）の５倍量以上の
水素からなる混合ガスを放電分解してシリコン単結晶薄
膜を製造する方法が記載されており、実施例において、
基板として（１００）のシリコン単結晶ウェハーを２５
０℃に加熱して使用した場合は、該基板面から単結晶薄
膜がエピタキシャル成長した事が確認された旨記載され
ている。

（発明が解決しようとする課題） これらの方法においては、反応ガス中に希釈ガスとして
水素を使用するために結晶シリコン中に水素が結合しな
がらエピタキシャル成長をする。

即ち、希釈水素は、エピタキシャル成長表面を覆うとい
う役割があり、これにより成膜に寄与する原子、イオン
及び分子等の前駆体に成長表面移動を適度に行わせると
考えられている。従って、エピタキシャル成長膜中に水
素が取り残され易く、これによって結晶の均一性が低下
する結果、得られた結晶シリコン薄膜の電子移動度が小
さな値となるという欠点があった。

例えば、上記の如く製造したシリコン結晶薄膜中には、
約１原子％の水素が含有されることが知られている（ジ
ャパニーズ・ジャーナル・オプ・アプライド・フィジッ
クス、２６巻、第６号、９５１頁（１９８７年））。

このように、従来の低温プラズマＣＶＤ法によっては、
大きな電子移動度を有する高品位のシリコン単結晶薄膜
は得られていない。

そこで本発明者等は、基板温度を低温にすることができ
るという利点を有するプラズマＣＶＤ法によって、大き
な電子移動度を有する高品位のシリコン単結晶薄膜を得
べく種々検討する中で、成膜に寄与する前記前駆体の成
長表面移動を適度なものとするために必須であると従来
考えられていた反応ガスとしての水素を全く使用しない
方法を検討し、シランガスと弗素ガスのバランスをとる
ことにより極めて容易に目的とする高品位のシリコン単
結晶薄膜を得ることができることを見い出し本発明に到
達した。

従って本発明の目的は、プラズマＣＶＤ法によって電子
移動度の大きい高品位のシリコン単結晶薄膜を製造する
方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の上記の目的は、プラズマＣＶＤによりシリコン
原子を有する原料を含有した反応ガスをプラズマ化し、
加熱基板上にシリコン単結晶Ｉｌｌ！を形成せしめる方
法において、成膜ガスとしてシランをエツチング性ガス
として弗素ガスを含有し水素ガスを含まない反応ガスを
用いて、前記基板上にシリコン単結晶を成長せしめるこ
とを特徴とするシリコン単結晶薄膜の製造方法によって
達成された。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

本発明においては、成膜ガスとして５ｉｆ（、、Ｓｉ、
Ｈ，及び５ｉｓＨｓの群から選択される少なくとも１種
のシランを使用する。

又、エツチング性ガスとしてはＦ２を使用するが、Ｆ２
のみでな（Ｓ　Ｉ　Ｈ４−Ｘ、１　（ＸばＦ又はＣＩｌ
原子であり、ｎは１〜４の整数好ましくは２〜４の整数
である）を併用することもできる。このような併用する
ことのできるエツチングガスとしては特にＳｉＦ、が好
ましい。

併用することのできるフロロシラン等のガスは、容量％
でシランに対し１００％以下特に５〜８０％の添加量と
することが好ましい。

エツチング性ガスはプラズマ条件下においてシリコン表
面をエツチングすることのできる弗素原子を放出する。

即ち、プラズマ中の弗素原子は■常に清浄なシリコン成
長表面を露出させる、■成長シリコン薄膜中の不純物の
除去、■気相中のシラン重合防止等の機能を有すると考
えられる。

本発明は単結晶シリコンを得るものであるので、特に結
晶成長とエツチングのバランスをとることが要求される
。このようなバランスは、前記シランとエツチング性ガ
ス特に弗素ガスを適宜混合して使用することにより容易
に調整することができる。

弗素ガスの使用量はシランの０．１〜５０倍、特に０．
　１〜１０倍（容積比）更には０．１〜１倍とすること
が好ましい。０．１倍より少ないとエツチング効果が弱
く、５０倍を越えるとエツチングが強すぎてシリコン結
晶薄膜を形成することができない。

本発明においてはエツチングガスとして活性に冨んだ弗
素ガスを使用するので、反応ガス中に希釈ガスとしてヘ
リウム、ネオン、アルゴンの中から選択される少なくと
も１種の不活性ガスを添加することが好ましい、この場
合添加する不活性ガスの量は弗素ガスの０．１〜５０，
０００倍好ましくは１〜ｌ、０００倍、更に好ましくは
５〜１００倍である。５０．０００倍以上では成膜性ガ
スであるシランの濃度が薄すぎるためシリコン結晶薄膜
の成長が著しく遅くなる一方、０．１倍以下では反応ガ
ス中の弗素濃度が高いので装置の腐蝕が問題となること
がある。

プラズマを発生させるチャンバー内の圧力は基板上に到
達する原子等が有するエネルギー量に関係するので、そ
の圧力は０．ＩＴｏｒｒ〜１５Ｔｏｒｒとすることが必
要であり、特に０，５Ｔ。

ｒｒ〜１ＯＴｏｒｒ更には１〜５Ｔｏｒｒとすることが
′好ましい。

本発明においては、従来法とは異なり、反応ガス中に水
素ガスを使用しない事が最大の特徴である。

本発明においては、上記の条件を満たした反応ガスを、
電力密度０．１〜５　Ｗ／Ｃ！ｉ、好ましくは１〜３　
Ｗ／ｃｄで放電して反応ガスをプラズマ化し、約１００
℃〜７００°Ｃ好ましくは約り００℃〜６００″Ｃ１更
に好ましくは約２００℃〜５００　’Ｃの間の一定温度
に維持したシリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜
を形成せしめる。放電は、高周波放電、直流放電又はマ
イクロ波放電等の何れであっても良い。

基板温度が１００°Ｃより低いと結晶構造が乱れ多結晶
構造となるので品質が悪化する。基板温度を７００°Ｃ
より高くしても最早、性能をより向上させることができ
ない上、低温法としてのプラズマＣＶＤの利点を生かせ
なくなる。

電力密度は反応ガスの種類及び圧力によって異なるが、
電力密度が０．ＩＷ／ｃ４より小さいと反応ガスの圧力
を十分低下させなければならないので成膜速度が遅（，
５Ｗ　／　ｃｄを越えると薄膜の品質を高く維持するこ
とができないので好ましくない。

尚、本発明においては真性の単結晶シリコン薄膜を作製
することができるのみならず、反応ガス中に元素周期律
表第■族又は第Ｖ族のドーパントガスを混合することに
より、形成される単結晶シリコン薄膜をｐ型又はｎ型と
することができる。

この場合の上記ドーパントガスとしては、例えばジボラ
ン、ホスフィン、アルシン等の水素化物が挙げられる。

（作用） 本発明のシリコンエピタキシャル成長法においては反応
ガス中に水素を希釈ガスとして使用しないので、水素は
シラン及びエツチング性ガスとして併用されることのあ
るジフロロシラン等の分解によってプラズマ中に持ち込
まれるだけであり、従って従来法の場合と異なりエピタ
キシャル成長時に水素が結晶表面を覆うということがな
い、更に、従来法の場合に比して反応活性の高い弗素ガ
スを使用する。これらの理由から、本発明においては、
エピタキシャル成長表面は常に清浄な状態で露出されて
おり、アモルファスシリコンや結晶粒界を形成する歪ん
だシリコン膜の形成が防止され、従ってエピタキシャル
成長が橿めて均一に行われるものと推定される。

このようにして得られたシリコン単結晶薄膜は、水素含
有量が５０　ｐ　ｐｍ以下と小さく極めて高品質である
。

本発明の方法は、従来エピタキシャル成長がおこなわれ
ていたあらゆる分野、例えば、バイポーラトランジスタ
、バイポーラＩＣ，ＭＯ３ＳＬＳ■、メモリー等の半導
体を初め、太陽電池の製造等に応用することができる。

（発明の効果） 以上詳述した如く、本発明においては反応ガス中に希釈
ガスとして水素ガスを全（用いるということがないので
、エピタキシャル成長時に結晶シリコン薄膜中に水素が
取り残されることがなく、従って得られるシリコン単結
晶薄膜の電気特性は極めて良好である。又、基板の加熱
温度が約り００℃〜約７００°Ｃと低温であるため基板
に含有される不純物がシリコン単結晶中に拡散すること
がないので、半導体素子の品質を向上させることができ
る。

（実施例） 以下、本発明を実施例によって更に詳述するが、本発明
はこれによって限定されるものではない。

実施例１゜ 予め、ｌＸｌ０−”ＴｏｒｒＯ高真空にした反応室内に
、Ｆ、：５ｉＨｎ　　：Ｈｅ−１：２：９の混合ガスを
反応ガスとして１１００５ＣＣで供給し反応ガスの圧力
を１．２Ｔｏｒｒに調整した０次いでこの反応ガスを１
３　、　５６　Ｍ　Ｈｚの高周波電源を用いて、電力１
．３Ｗ／ｄで分解し、４００°Ｃに加熱されたシリコン
単結晶基板上に２．　０μｍの厚さとなる迄シリコン薄
膜を形成させた。

上記の如（して得られた試料につき、反射高速電子線回
折（ＲＨＥＥＤ）によってシリコン結晶薄膜の評価を行
った所、ストリークパターンと菊池ラインが観測され、
良好な単結晶であることが判明した。この薄膜の電子移
動度をベトリッツ法を適用したホール効果測定装置によ
り求めたところ１．１００ｃｊ／ボルト・秒であった。

又、水素含有量は１０ｐｐｍ以下であることが元素分析
によって確認された。

実施例２〜６ 実施例１と同様にして第１表の条件でシリコン単結晶薄
膜を得、同様の測定をした。結果を第１表に示した。

比較例１゜ 反応ガスとして５ｉＨｎ　　：５ＩＨｚ　Ｆｔ　　：Ｈ
ｔ−１ｊ　１０　：　１００の混合ガスを使用し、この
反応ガスを１１１５ＣＣＭで供給し、反応ガスの圧力を
２．ＱＴｏｒｒに維持して、電力密度０．８Ｗ／ｃｊ、
シリコン単結晶基板温度２５０°Ｃの条件でシリコン結
晶薄膜を形成させた。

得られた１ｌＪＩＩの電子移動度は２７Ｍ／ボルト・秒
であった。又、水素含有量は約１原子％であった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）プラズマＣＶＤによりシリコン原子を有する原料を
   含有した反応ガスをプラズマ化し、加熱基板上にシリコ
   ン単結晶薄膜を形成せしめる方法であって、成膜性ガス
   としてシランをエッチング性ガスとして弗素ガスを含有
   し水素ガスを含まない反応ガスを用いて、前記基板上に
   シリコン単結晶を成長せしめることを特徴とするシリコ
   ン単結晶薄膜の製造方法。