JPH02202018A - 多結晶シリコン薄膜の製造方法 - 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） 本発明は薄膜トランジスタ等の半導体素子や太陽電池に
利用し得る多結晶シリコン薄膜の製造方法に関し、特に
低温でガラス等の基板上に形成せしめることのできる多
結晶シリコン薄膜の製造方法に関する。

（従来の技術） 多結晶シリコン薄膜は数百人〜数μｍの結晶シリコンが
多数集合した状態であり、従来その薄膜は主として熱Ｃ
ＶＤ法によって製造されている。

例えば、特開昭５８−１７２２１７号では、４００〜９
００　’Ｃの反応室ヘシラン化合物を供給して熱ＣＶＤ
を行い、基板上へ多結晶シリコンｆ！ｉ膜を形成せしめ
ることを開示している。

しかしながら上記方法では、伝熱効率の悪い反応ガスを
高温に加熱するため大量の熱エネルギーを必要とするだ
けでなく、加熱冷却に時間とコストがかかりすぎて薄膜
の生産性が悪いという問題がある上、４００〜７００°
Ｃ程度の温度条件を使用した場合には製膜速度が遅く実
用的でないという欠点があった。

又、一般に多結晶シリコン薄膜はアルミナやグラファイ
トなと結晶シリコン以外の材質の基板上へ形成させるた
め、７００″Ｃ以上もの高温にさらされると基板中に含
有されるアルミニウムやニッケルなどの不純物が新たに
形成されるシリコン結晶中に拡散して、堆積される薄膜
の特性を悪化させることが知られている（［最新ＬＳＩ
プロセス技術Ｊ、Ｐ２Ｏ３、昭和５８年発行、前田和夫
著工業調査会Ｍｉり、　　又、ガラス基板は融点が低く
、７００　’Ｃ以上では基板として使用することが困難
でもある。

更に、最近の研究によって、熱ＣＶＤ法によって作製し
た多結晶シリコンの場合は、作製時の温度が高いために
シリコン粒子間の隙間が多く互いに密着していない事に
加え、結晶粒界のダングリングボンドが電気的特性を劣
化させることが判明し、斯る不都合を是正するために結
晶粒界を水素でパッシベーシヨンさせる必要がある等の
欠点があった。

このため、最近低温で多結晶シリコン薄膜を製造するこ
とのできるプラズマＣＶＤ法が注目されている（特開昭
６３−１５７８７２号、同６３−１７５４１７号参照）
、これらの方法においては反応ガスの一成分として多量
の水素ガスを使用するため、得られた多結晶シリコンは
熱ＣＶＤ法による場合よりシリコン粒子間に水素を含有
し、−度作製した多結晶シリコンを後からパッシベーシ
ョンする必要はないという長所を有する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記方法により得られた多結晶シリコン
ｒｊＩｙ４は約２．５原子％以上の水素を含有し、シリ
コン結晶粒子は高々５００人程度であって多結晶シリコ
ン薄膜の性能面で更に改善の余地があった。

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法による多結晶シ
リコン薄膜の製造方法について更に研究を進めた結果、
特に水素を反応ガスとして使用しない場合には、多結晶
シリコンの粒径を０゜０５〜３μｍ程度迄拡大すること
ができ、これによって多結晶シリコン薄膜の物性を改良
することができること及び、成膜性ガスとしてシランを
使用し、エツチング性ガスとしてエツチング能力が高い
弗素ガスを使用することにより特に良好な結果を得るこ
とができることを見い出し本発明に到達した。

従って本発明の第１の目的は、低温で高品質の多結晶シ
リコン薄膜を製造するための改善された方法を提供する
ことにある。

本発明の第２の目的は、プラズマＣＶＤ法によって、結
晶粒径が大きく高性能の多結晶シリコン薄膜を製造する
方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の上記の諸口的は、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
、加熱基板上に多結晶シリコン薄膜を形成せしめる方法
であって、該基板として単結晶シリコン以外の基板を使
用すると共に、成膜性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多結晶シリコンを成長せしめ
ることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法によ
って達成された。

以下に本発明の製造方法について詳述する。

本発明で使用する基板は、ガラス、セラミック、金属等
、単結晶シリコン以外の基板の中から適宜選択して使用
することができる。

単結晶シリコンを基板として用いた場合には、プラズマ
ＣＶＤとして結晶化の条件を選択するとエピタキシャル
膜が得られ本発明の多結晶シリコン薄膜は得られない、
そこで本発明においては、単結晶シリコン以外の上記の
基板上にプラズマＣＶＤ法によって多結晶シリコン薄膜
を形成せしめる。

多結晶シリコンを成膜するためのシリコン原子供給ガス
として、本発明においては、５ｉＨｎ、５ｉｚＨ＊及び
Ｓｔ、Ｈ，から成る群から選択された少なくとも１種の
シランを用いる。

又、エツチング性ガスとしてはＦ２を使用するが、Ｆ８
のみでなく５ｉＨ４−、、Ｘ、、（ｘはＦ又はＣｌ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などのガスは、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。

本発明は多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１〜１，０００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０．１Ｔｏｒｒ〜１５Ｔｏｒｒとすることが必
要であり、特に０．５Ｔ。

ｒｒ〜１ＯＴｏｒｒ史には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　／　ｃｄ、好ましくは１〜３
　Ｗ／ｃ４で放電して反応ガスをプラズマ化し、約１０
０°Ｃ〜７００°Ｃ好ましくは約１００　’Ｃ〜６００
°Ｃ１更に好ましくは約２００″Ｃ〜５００°Ｃの間の
一定温度に維持したシリコン単結晶以外の前記基板上に
多結晶シリコン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より低いと非晶質相が現れ、微結
晶構造となり品質が悪化する。基板温度を７００°Ｃよ
り高くした場合には装置の腐食が顕著である上、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Ｏ，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く、
５　Ｗ／ｃＩａ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多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、形成される多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） 本発明のシリコン薄膜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
シランなど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シリコン薄膜成
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、シリコン薄
膜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、従って多結晶シリコン成長が極めて
均一に行われるものと推定される。

本発明の方法によると、多結晶シリコン薄膜を形成する
シリコン結晶粒子は約０．０５μｍ以上、特に０．１μ
ｍ〜３μｍと大きく成長し、従って薄膜中の結晶表面積
が減少するので結晶界面に存在するダングリングボンド
を封鎖するための水素の量も２原子％以下となり、０．
２原子％以下とすることも容易である。このように、本
発明によって得られる多結晶シリコン薄膜のシリコン結
晶は粒径が大きく、含有される水素量が従来のプラズマ
ＣＶＤ法によって得られる多結晶シリコン薄膜の場合よ
り少ないので、得られた多結晶シリコン薄膜の物性は良
好である。゛ （発明の効果） 以上詳述した如く、本発明によれば単結晶シリコン以外
の基板を使用しても、電子移動度が大きい高品質の多結
晶シリコン薄膜を低温で得ることができるので、Ａ　Ｉ
−ＳＦ　ｅ　ｓ　Ｎ　ｉなどの不純物を含有する基板を
使用しても形成されるシリコン薄膜中に基板中の不純物
が拡散することがない、従って、精製が十分でない安価
な基板を用いることによって薄膜半導体素子の製造コス
トを大幅に引き下げることができるのみならず、この低
コスト化に伴って、薄膜の用途を大幅に拡大することが
できる。

以下実施例に従って本発明を更に詳述するが、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
、Ｆｇ　　：　Ｓ　ｉＨ４：　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°Ｃに
加熱されたガラス基板上に２．Ｏａｍの厚さとなる迄シ
リコン薄膜を形成させた。

上記の如くして得られた試料につき、Ｘ線回折によって
その粒径を測定した所、その平均粒径は１．０００Å以
上であった。更に、この薄膜の電子移動度は約５０ｃｄ
／ボルト・秒、水素含有量は０、　１原子％以下であっ
た。

実施例２〜６゜ 実施例１と同様にして第１表の条件で多結晶シリコン薄
膜を得、同様の測定をした。結果を第１表に示した。尚
第１表には、実施例１の条件及び結果も併記した。

比較例１〜３゜ 反応ガスの供給量を６０ＳＣＣＭとし、第２表の条件で
実施例１と同様にしてシリコン薄膜を形成させた。得ら
れたシリコン薄膜の性状は第３表に示した通りである。

第３表の結果から明らかな如く、比較例１及び２では多
結晶シリコン薄膜が得られず、比較例３で得られた多結
晶シリコン薄膜の性状は本発明の多結晶シリコン薄膜に
比して劣ることが確認された。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、加熱基板上に多結晶シリ
   コン薄膜を形成せしめる方法であって、該基板として単
   結晶シリコン以外の基板を使用すると共に、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
   多結晶シリコンを成長せしめることを特徴とする多結晶
   シリコン薄膜の製造方法。